半金属石墨烯纳米带的研究

半金属性在以自旋为基础的电子学中具有潜在的应用价值。本文利用第一原理计算描述了纳米尺寸GNR的半金属性质,计算结果表明：对锯齿型石墨烯纳米带加一个均匀一致的横向电场时,即可使锯齿型纳米带转变为半金属,实现体系半导体-半金属转变。这一结果对理解电场和固体中电子自旋自由度相互作用方向具有科学意义,同时为制备石墨片基纳米尺度自旋器件开辟了道路。     

多空位缺陷和硼氮杂质对锯齿型石墨烯纳米带电子结构的影响

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究多空位缺陷和掺杂对对称性锯齿型石墨烯纳米带(ZGNRs)的电子结构的影响.研究结果表明,具有相同位置的多空位缺陷或氮掺杂的对称性ZGNR显示了半金属特性,而硼掺杂的对称性ZGNR显示了半导体性质.石墨烯纳米带的锯齿形边缘上和空位缺陷处都存在自旋极化的电子态,并且边缘上电子自旋呈反铁磁性排列.具有多空位缺陷的ZGNR磁矩依赖于带宽、空位缺陷的构型以及空位缺陷与边缘的距离,从而磁矩随着带宽的增加呈现震荡效应.这种特殊的缺陷和掺杂效应可用来设计新颖的自旋电子器件.     

边缘化学修饰锯齿型石墨烯纳米带的电子结构

利用第一原理密度泛函理论,计算了边缘氢化和COH,CO边缘氧化的锯齿型石墨烯纳米带的结构稳定性和电子结构性质。能量计算表明,这些氧化的纳米带比边缘氢化纳米带要稳定。此外,OH官能团产生了和H边缘类似的能带结构,而CO官能团产生了复杂的金属能带结构,边缘氧化引入了穿越费米能级的半占据能带。相应结果为制备石墨烯基纳米电子器件提供了理论依据。     

硼氮掺杂对锯齿形石墨烯纳米带影响的第一性原理研究

本文主要通过在密度泛函理论下的第一性原理计算方法,计算了硼氮掺杂下锯齿形石墨烯纳米带的形成能、能带结构和电子态密度,对掺杂产生的影响进行了分析和研究.研究发现具有硼氮成对的结构相对于单种类原子掺杂更稳定,同样具有在纳米带边缘非对称硼氮掺杂的结构较对称掺杂更稳定.硼氮掺杂能显著改变锯齿形石墨烯纳米带的能带结构,对边缘加氢数量不同的石墨烯纳米带的能隙有完全相反的影响.本文发现了两种通过硼氮掺杂具有自旋现象的结构.     

扶手椅型石墨烯纳米带吸附钛原子链的电子结构和磁性

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了扶手椅型石墨烯纳米带(10G、11G、12G和13G)吸附zigzag型Ti原子链的几何结构、电子性质和磁性。结果表明,zigzag型Ti原子链可以稳定吸附在石墨烯纳米带表面。Ti原子链吸附在纳米带的边缘洞位(10G-1、11G-1、12G-1和13G-1)时较为稳定,且稳定程度随着纳米带宽度的增加而增加。Ti原子链吸附在不同宽度石墨烯纳米带的不同位置,呈现不同的电子结构特性。其中,10G-1、10G-2和11G-2的吸附体系表现出半金属特性,其余吸附体系都为金属性质。同时,石墨烯纳米带吸附Ti原子链的体系具有磁性,其磁性主要来源于Ti原子。当Ti原子链吸附在纳米带边缘洞位时,zigzag原子链上A类Ti原子的磁矩总是小于B类Ti原子的磁矩;随着Ti原子链移向纳米带中心,两类Ti原子的磁矩趋于相等。研究结果揭示,通过吸附zigzag型Ti原子链,可以有效调控石墨烯纳米带的电子结构与磁性质。     

石墨烯纳米带的制备方法研究

石墨烯由于具有优异的性质和广泛的应用前景而备受关注,石墨烯纳米带具有自旋极化的边界态,在自旋电子学领域具有潜在应用价值,因此,石墨烯纳米带的制备具有重要的研究意义。该文对目前关于石墨烯纳米带的制备方法进行了总结,并对这些制备方法做了对比分析。     

电场作用下边缘修饰石墨烯纳米带的电磁性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理,研究了非金属原子(B,N)和金属原子(Na,Mn)边缘修饰不同宽度zigzag型石墨烯纳米带(ZGNR)的结构稳定性和电磁性质。并进一步研究了外加不同强度垂直电场对原子边缘修饰ZGNR电磁性质的调控规律,所有原子边缘修饰ZGNR体系均能形成稳定结构。在施加垂直于纳米带平面的电场强度后,随着电场强度的增大,[N-ZG]_4体系稳定性最好且基本不变,[Mn-ZG]_4体系稳定性增加,而[B-ZG]_4和[Na-ZG]_4体系稳定性降低;电场促进了边缘修饰原子(B,Na,Mn)的电荷进一步向石墨烯C原子转移,阻碍了电荷从石墨烯C原子向边缘N原子转移;N和Na修饰体系的磁性逐渐减小,而B和Mn修饰体系磁性逐渐增大。研究结果表明,外加不同强度电场可以有效调控原子边缘修饰ZGNR体系的结构稳定性、电子性质和磁性,能够为石墨烯纳米带在纳米电子领域的应用提供理论基础。     

局部扭转形变下典型armchair型石墨烯纳米带的力电特性

将密度泛函理论与非平衡格林函数方法相结合,选取了宽度为11根碳原子链、边缘H钝化的armchair型石墨烯纳米带为模型,系统研究了局部扭转形变对石墨烯纳米带力电特性的影响.结果表明,随着扭转角度的增加,armchair型石墨烯纳米带的结构依次经历了弹性形变、塑性形变直至完全断裂.局部扭转形变对armchair型石墨烯纳米带的力电特性有显著影响,表现出了依赖于形变过程的输运谱和伏安特性.     

过渡金属原子链对双层石墨烯纳米带的电磁性质的调控

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,系统地研究了过渡金属(TM=V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni)原子链对AB型双层石墨烯纳米带(BGR)结构和电磁性质的调控规律。所有吸附体系都能够形成稳定结构[GTMG]。对于不同TM,V吸附BGR体系最为稳定。对于原子链吸附在BGR不同位置,边缘吸附时稳定性最高。电荷从TM原子链转移到近邻碳原子,形成的离子键有助于增强复合体系的稳定性。TM原子链吸附在BGR不同位置上,导致了不同的电子结构和磁性。形成的复合体系中[GCrG]2、[GCrG]4、[GMnG]2、[GMnG]4、[GFeG]1和[GCoG]2体系具有半金属特性,其他体系具有半导体或金属性质。Ni原子吸附体系的磁矩为零。V原子链吸附在纳米带最边缘位置时磁矩较小,其他位置的磁矩均为零。复合体系[GTMG](Mn、Fe、Cr、Co)的磁性较强且其磁矩大小按照Mn、Fe、Cr、Co的顺序降低,原子链中两个不同位置(A类和B类)原子的磁矩呈现明显的边缘效应。研究结果表明,结构稳定性、电子性质和磁性均与双层石墨烯纳米带的边缘效应有关,这种边缘效应带来了丰富的电磁性质,能够扩展石墨烯的应用范围。     

单壁碳纳米管超声裂解制备石墨烯纳米带

将单壁碳纳米管仅通过气相氧化和超声裂解两步制备出了石墨烯纳米带,采用透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、拉曼光谱(Raman)对制备出的石墨烯纳米带进行形貌和结构分析。结果表明,此方法制备的石墨烯纳米带宽度狭窄、边缘光滑,并且相比于刚性的单壁碳纳米管具有良好的柔韧性,大约为2nm的厚度也说明了石墨烯纳米带的双层结构。在气相氧化和超声裂解的过程中,拉曼光谱中D峰与G峰的比值始终保持在0.15左右,表明在整个制备过程中,并没有引入新的缺陷。此方法相比于其他方法制备出的纳米带具有结晶度高、宽度狭窄、边缘光滑等优点。     

锯齿型GeSe纳米带的边缘态对整流效应的调控研究

锯齿型硒化锗(ZGeSeNR)是准一维纳米结构的材料,由于其具有特殊的维度特性及优异的电子特性而成为研究热点.本研究使用密度泛函理论和非平衡格林函数结合的方法,系统地研究了边缘结构对锯齿形硒化锗纳米带的电子结构及输运性质的影响.能带结构图显示边缘裸露的ZGeSeNR、P和S原子钝化边缘的ZGeSeNR具有导电的金属性质,用F,Cl, H原子和OH^-根离子钝化处理边缘后的ZGeSeNR则表现出半导体性质.基于不同边缘结构的ZGeSeNR构建金属-半导体界面的两电极器件模型,计算出的器件电压-电流曲线证实了边缘态对整流效应的调控作用.特别是裸露-H原子钝化的锯齿型GeSe纳米带(H-ZGeSeNR)器件中的整流比可达到8.7×10⁵.改变该器件结构中散射区内钝化原子的数目来调控整流特性,最高可得到1.1×10⁷的整流比.研究结果对设计ZGeSeNR纳米整流器提供了重要参考.     

Si原子轰击石墨烯形成取代结构的带隙研究

石墨烯是零带隙半导体材料,无法在半导体领域直接应用。因此,本文采用基于第一性原理的密度泛函理论超软雁势平面波方法计算Si原子轰击石墨烯形成取代结构的能带结构希望能打开石墨烯的带隙。首先验证了石墨烯本身的带隙,模拟数据表明石墨烯具有零带隙的性质。然后采用lammps软件模拟Si原子轰击石墨烯中的C原子,在一定范围的轰击速度下(153～597/fs),Si原子轰击并取代石墨烯中C原子形成了石墨烯型SiC的取代结构。在相同的速度下,用不同数目的 Si原子分别轰击石墨烯得到不同的取代结构,把其导入到MS中,用CASTEP模块分别设置相同的参数进行几何优化并计算这些取代物的能带结构。结果表明,Si原子轰击石墨烯形成的取代结构具有禁带宽度,打开了石墨烯的带隙。为实现精准调控石墨烯带隙打下了基础。     

边界掺Be原子石墨纳米带的自旋输运性质研究

采用基于第一性原理和非平衡格林函数的输运计算方法,研究了4个原子宽度锯齿（zigzag）型纳米带在边界掺Be原子时对输运性质的影响.结果发现：石墨纳米带呈半导体特性,杂质原子抑制了附近原子的局域磁性,改变了完整纳米带的电子结构,2种自旋电子将表现出不同的透射情况,且在费米面附近尤为明显.通过计算散射区的分子自洽哈密顿量（MPSH）能谱,发现2种自旋电子能级不再简并,在外加偏压下纳米带产生自旋极化电流.同时,在偏压低于1.5 V时,其中1种自旋电子出现负微分电阻现象（NDR）.     

石墨烯纳米涂料在沿海一次设备中的金属防腐蚀机理研究

以石墨烯取代部分锌粉制备了石墨烯纳米防腐涂料.用改进的铜加速乙酸浸泡试验测试其防腐性能,测试了涂料试样板浸泡前后的质量变化,观察其外观及SEM,并深入研究了石墨烯的防腐机理.结果表明:铜盐加速乙酸盐水浸泡法试验加速了腐蚀进程,缩短了测定时间;石墨烯纳米防腐涂料GEPZn试样板浸泡411 h内未见明显变化.防腐机制主要是石墨烯纳米防腐涂料中具有导电性的石墨烯以"导电搭桥"作用有效保护了金属基材,提高了锌粉的利用率.     

取代基团对太阳能电池电子受体材料石墨烯衍生物导电性的影响

设计含有F,Cl,Br,OH,SO_3H,NO_2,COOH,CN或CF_3取代基团的石墨烯衍生物的结构模型,研究有机太阳能电池电子受体材料石墨烯衍生物的导电性.使用Gaussian09软件,采用密度泛函理论计算方法在B3LYP/6-31G(d)水平上,优化取代石墨烯的空间结构,计算取代石墨烯的电荷分布,考察各取代石墨烯的带隙和打开狄拉克点的难易.结果表明:在取代石墨烯接收一个电子前后,含有Br,SO_3H,CF_3或CN基团的取代石墨烯比含有F,OH,NO_2,Cl或COOH基团的取代石墨烯均具有更好的导电性,含有Br,CN或CF_3基团的取代石墨烯打开狄拉克点相对比较容易.因此,含有Br,CN或CF_3基团的取代石墨烯是较好的有机太阳能电池电子导电材料,其中Br取代石墨烯是最优的导电材料.     

氧化石墨烯/铅复合材料的合成

石墨烯是最薄的二维材料,具有极大的比表面积,可以作为纳米颗粒的基底.将氧化石墨烯和金属纳米颗粒进行复合,发挥二者的协同作用,是一种拓展和增强这2种材料性能的优选方法.本文将乙酸铅引入分散在水中的氧化石墨烯体系,获得了负载铅纳米复合材料,发现在该体系中氧化石墨烯的还原性也得到了发挥.      

科学触角

<正>石墨烯的导电能力在室温下,石墨中的电子可以比其他材质中的电子移动速度更快。但是,以往将石墨烯片切割成为石墨烯带的技术会在材料中留下纳米尺度的粗糙边缘,这将会阻碍电子的流动。美国佐治亚理工学院的物理学家沃尔特·德希尔(Walt de Heer)带领的研究团队制成了长度超过10微米、中途没有任何阻碍的石墨烯带,这比以往的研究成果要好1000倍,甚至比传统理论上预测的还要好10倍。无阻碍的电子运动,意味着这些导体可以更快地传输信号,而没有传统半导体芯片中的过热问题。该团队没有按照传统的方法(将较宽的石墨烯片切割成石墨烯带)来处理,而是让石墨在碳化硅晶体的脊状边缘上生长。研究者通过特殊的工序,将实验材料加热到1000℃以上。硅原子蒸发后,就会留下40纳米宽的石墨层。德希尔说,这样就不会在石墨中产生粗糙的边缘来阻碍电子的运动了。     

Fe掺杂石墨烯表面吸附Au:第一性原理

采用第一性原理对Au在Fe掺杂石墨烯表面的吸附特性进行研究,计算掺杂Fe前后石墨烯对Au的吸附能以及石墨烯的局部态密度和电荷分布。结果表明:掺杂Fe增强了Au在石墨烯表面的吸附能,提高了Au与石墨烯间的电荷转移。掺杂Fe后,Fe与Au间形成了共价键,Au与石墨烯间由物理吸附转变为化学吸附。此外,自旋极化计算结果显示Fe掺杂石墨烯-Au体系中自旋向上态密度和自旋向下态密度关于费米能级对称,说明Fe掺杂不会使体系产生磁矩而影响材料性能。此类掺杂有望改善石墨烯载Au纳米颗粒催化剂的催化性能。     

纳米尺度的极化磁化理论

首先给出一种新的极化磁化方程,讨论纳米尺度的物质的极化、磁化、简并和相变,并给出适用于纳米尺度的极化磁化方程.然后研究电子自旋,讨论电子自旋的数学模式,指出电子的自旋是模不变的极矢量,电子的自旋是旋度矢量.最后把上述理论应用于二维纳米材料和石墨烯的研究和讨论.     

2015-04 国内期刊亮点

制备出优良性能的功能化氧化石墨烯纳米带/乙烯-乙酸乙烯共聚物石墨烯纳米带(GNRs)是一种由碳原子构成的单层条状结构的不渗透材料,在高阻隔应用领域具有较大的发展前景。但其制备较困难,而GNRs的前驱体——氧化石墨烯纳米带(GONRs)虽制备简单、抗渗透性优良,但在部分有机溶剂中分散性很差,限制了其在复合材料领域的应用,因此寻找一种行之有效的改性剂/方法来对其进行改性是一项很有意义的工作。研究采用纵向氧化切割多壁碳纳米管(MWNTs)