张应力对石墨烯能量带隙的影响

在不考虑电子与电子之间相互作用的情况下,采用紧束缚近似和线性弹性理论解析计算石墨烯在张应力作用下的能量色散.计算结果表明:沿锯齿方向的张应力能使石墨烯产生能量带隙,这个带隙是临界的,需要超过24.5％的临界变形;沿扶手椅方向的张应力不能使石墨烯产生能量带隙;石墨烯能量带隙的获得是处在第一布里渊区的两个非等价的狄拉克点合并的结果;当应变沿扶手椅方向时,2个非等价的狄拉克点随着应变的增大向相反的方向移动不会合并,而当应变沿锯齿方向时;2个非等价的狄拉克点随应变增大彼此接近,最终合并.     

氮掺杂石墨烯凝胶的制备及其氧还原催化性能

以氧化石墨烯为原料,采用水热法合成出具有三维网络结构的氧化石墨烯凝胶,并与氨气在高温下反应制得具有三维多孔结构的氮掺杂石墨烯凝胶(N-G-F)。通过SEM、TEM、BET、XPS等分析手段对N-G-F的形貌结构及组成进行了系统表征,使用旋转圆盘电极测试了其对氧还原反应的催化活性。结果表明,N-G-F的氧还原反应具有高起始电位(-0.1 V)、四电子转移的反应特征和高的动力学电流密度(9.1 m A/cm2),高于商业化Pt-C的电催化性能。     

硅掺杂对石墨烯薄膜拉伸力学性能的影响

采用Tersoff势对硅掺杂石墨烯薄膜的拉伸过程进行了分子动力学模拟,研究了不同硅掺杂比对扶手椅型和锯齿型石墨烯薄膜拉伸力学性能的影响,得到了相应的应力-应变关系以及拉伸破坏形态.研究结果表明,硅原子的替换掺杂对石墨烯薄膜杨氏模量的影响明显,其拉伸极限应变和拉伸强度随着硅原子掺杂比的增大而显著减小.     

扶手椅型石墨烯纳米带在单轴应力下的能隙调控

利用紧束缚方法研究了扶手椅型石墨烯纳米带沿其长度方向受单轴应力的电子能谱及能隙与形变量的关系.结果表明:在一定的应力下,3m和3m+1型纳米带的能隙随纳米带宽度的变化呈现零能隙拐点,而这种拐点随着非近邻项的逐渐计入向着纳米带宽度窄的方向移动.当带宽较窄时,无论非近邻项是否计入,除了3m+2外,只有3m的三近邻情形能隙与形变量(小形变)的曲线才有拐点;随着宽度的增加,除了3m+1的最近邻情况外,3种宽度3m,3m+1和3m+2都出现零能隙拐点.     

氟化度及单轴应力对氟化石墨烯结构稳定性和能带的影响

采用基于密度泛函数理论的第一性原理,通过计算研究了四种(Chair、Zigzag、Boat、Armchair)双面全氟化石墨烯(N_C∶N_F=1∶1)构型,发现Chair型氟化后的石墨烯构型最稳定。在此基础上,系统研究了以Chair形式氟化时不同氟化度和单轴应力对氟化石墨烯结构稳定性与能带的影响.计算结果表明:氟化度越高氟化石墨烯结构越稳定,且双面氟化石墨烯较单面氟化更稳定。对构造的全氟化石墨烯体系沿X方向施加压(拉)应变时,石墨烯体系的起伏高度随单轴应变的增加而减小,导带底和价带顶均发生微小移动、带隙逐渐减小,带隙在轴向压应力作用下减小得更快.     

氮掺杂石墨烯的制备及其氧还原电催化性能

以三聚氰胺和氧化石墨烯(GO)为原料,经物理研磨和高温热解得到氮掺杂石墨烯(三聚氰胺-NG).扫描电子显微镜(SEM)测量显示,所制备的三聚氰胺-NG厚度和表面褶皱较掺杂前略有增加.X射线光电子能谱(XPS)表明,在三聚氰胺-NG中氮元素以吡咯N、吡啶N和石墨N 3种形式掺杂在石墨烯中,它们的比例分别是14.5%、24.5%和61.0%.同时运用循环伏安法(CV)和旋转圆盘电极技术(RDE)测试了三聚氰胺-NG在碱性介质中的氧还原电催化活性.结果表明,与商业石墨烯和由聚吡咯为氮源制备的氮掺杂石墨烯(ppy-NG)相比,三聚氰胺-NG具有较高的电催化活性和较正的氧还原起始电位(-0.09V),并且电催化还原氧气时主要为4电子反应.由于其较高的氧还原性能和较低的成本,三聚氰胺-NG在碱性燃料电池阴极电催化剂中有良好的应用前景.     

高电化学性能三维网状氮掺杂石墨烯的制备

以氧化石墨烯(GO)为原料,三聚氰胺为还原剂和氮掺杂剂,经过水热法制备出了氮掺杂石墨烯(NRG)三维网络.通过扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱(Raman)、氮气吸脱附分析和电化学表征等测试手段对样品的形貌、结构和电化学性能进行表征.结果表明:三聚氰胺在水热的条件下有效地将GO还原并实现氮掺杂,三聚氰胺将氧化石墨烯还原之后,使得石墨烯之间的相互作用力增强,从而使石墨烯搭建出三维网络结构,其氮含量可达4.37%.电化学测试表明,当GO与三聚氰胺质量比为1∶2(NRG-2)时,在1A/g时其最大比电容值达到了296F/g,这个比电容值高于其他不同GO与三聚氰胺质量比所制备出的氮掺杂石墨烯的比电容值.NRG-2还显示出优良的循环寿命,经过1 000次恒电流充放电循环后比电容保留量为88.5%.     

边界应力对石墨烯翘曲的影响

对于边界应力引起的石墨烯薄膜边界翘曲问题,分别建立了理想边界模型和真实边界模型来分析边界尺寸对翘曲形貌的影响。通过建立弹性薄壳模型,将边界处理成只具有面积而没有几何尺寸的理想梁模型以及具有真实尺寸的真实边界壳模型,然后进行理论分析来确定石墨烯薄膜边界翘曲时的尺度关系(即翘曲波形的波长、腹向衰减表征尺度以及面外翘曲幅值)。理论分析发现,边界宽度的变化对石墨烯薄膜的能量、翘曲幅值及腹向衰减尺度的影响显著,且当边界宽度为0.1 nm时,总应变能有最小极值点出现在波长为7 nm左右,该发现与原子模拟研究所得结果基本一致;同时发现,石墨烯翘曲幅值在边界宽度为0.1 nm时幅值达到最大,腹向衰减尺度随边界宽度在边界宽度为0.1 nm时衰减得最快。     

掺杂石墨烯制备方法新进展

石墨烯是一种新兴的二维碳纳米材料,在平面内碳原子以sp2电子轨道杂化形成蜂巢状晶格结构,厚度只有0.34 nm,具备优异的光电性能.然而石墨烯价带和导带之间的带隙为零,这限制了其在纳米电子学中的应用.通过杂原子(如氮、硼、氟等)对石墨烯进行掺杂的方式,可以打开带隙使其成为n型或p型材料,调节其电子结构和其他内在性质,有效地改善或扩大其在各种领域中的应用.掺杂对石墨烯性能的影响主要取决于杂原子键合类型以及掺杂量.比如掺杂氮原子的石墨烯片将在晶格中产生吡啶氮、石墨氮以及吡咯氮这3种常见的键合结构,而不同氮的存在形式会对掺杂石墨烯的催化及电学特性产生影响.本文综述了近年来掺杂石墨烯的制备、性质和应用,比较了现有制备方法的优缺点,介绍了其在能量存储转换、光电器件以及传感器等方面的应用实例,分析总结了现有掺杂石墨烯材料的不足并展望了其未来的发展方向.     

扶手椅型石墨烯纳米带边缘的硼掺杂

利用第一性原理研究了2种边缘掺杂硼方式的扶手椅型石墨烯纳米带。结果表明:硼掺杂使得沿纳米带方向的晶格常数发生改变,并且在能带隙中出现新的能带。对于原胞中添加4个硼原子的掺杂方式(B1-7AGNR),沿纳米带方向的晶格常数有所增加,在带隙中出现了4条能带,其中2条能带来自于硼的2pz轨道,其余2条能带主要来自于硼的2px和2py轨道。对于原胞中添加2个硼原子的掺杂方式(B2-7AGNR),沿纳米带方向的晶格常数有所减小,在带隙中出现了2条能带,其来自于硼的2pz轨道。     

高电化学性能三维氮掺杂多孔炭/石墨烯的研究

通过在氧化石墨烯(GO)表面原位聚合吡咯(Py)制备了聚吡咯(PPy)/GO复合物(PGO);以PGO为前驱体,经水热过程后,用KOH作为活化剂得到了三维氮掺杂多孔炭/石墨烯(NPCG)网络结构,采用XPS、SEM和N2吸/脱附等手段对其形貌和结构进行了表征;系统地研究了GO与Py的质量比和活化温度对合成的NPCG电化学性能的影响。结果表明:当GO与Py和PGO与KOH的质量比分别为1/15和1/3时,650℃活化温度下合成的NPCG具有优异的电化学性能,当电流密度为1 A/g时,其比容量高达398 F/g;在电流密度为10 A/g条件下,经1000次充放电循环后,其比容量保持率为94%。     

Al,Si,P掺杂对Ge在石墨烯上吸附的影响

利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了Al、Si和P掺杂对Ge在石墨烯上吸附的影响.Ge原子在完整石墨烯上吸附的最稳定位置为桥位,Ge的吸附改变了石墨烯中C原子的电子自旋性质;Al、Si和P掺杂石墨烯使衬底C原子发生了移动,且Si,P原子掺杂比Al掺杂石墨烯容易;杂质类型对Ge在石墨烯上的吸附位置有较大的影响,...     

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.     

厚度和掺杂对蛋托型石墨烯光电性质影响模拟研究

石墨烯因其独特的结构特点和优异的性能受到了人们的广泛关注.在合成与应用石墨烯的过程中，本征缺陷和杂原子的引入也会显著改变石墨烯的结构和性质，并且打开石墨烯的带隙，从而能够使其更好地应用于电子设备领域.通过构建一系列不同厚度的蛋托型石墨烯并对其进行掺杂，探究厚度和杂原子对其光电性质的影响.密度泛函理论计算结果表明，厚度和掺杂都可以实现蛋托型石墨烯导电性的调控，其中氮掺杂可以显著提高材料导电性，实现半导体到金属性的转变.同时，氮掺杂和硼掺杂会分别引起蛋托型石墨烯光吸收峰的蓝移和红移，实现光学检测.     

同位素掺杂对石墨烯热传导的影响

文章采用分子动力学模拟方法研究了同位素¹³C掺杂的扶手型石墨烯纳米带的热传导行为。杂质散射导致的声子局域化显著地减小了系统的热传导系数。我们进一步研究了杂质散射对四种不同声子输运模式的影响,发现在相同的杂质浓度下,TA声子遭受的散射最强,而LA声子遭受的散射最弱。     

Ti掺杂扶手椅型石墨烯纳米带电子和光学性质的第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，深入研究了Ti掺杂对扶手椅石墨烯纳米带(AGNRs)电子结构和光学性质的影响.研究表明：Ti原子的引入不会改变AGNR(7,4)原有的半导体性，但是可以通过改变掺杂位置和掺杂浓度来调控AGNR(7,4)的带隙；增大Ti掺杂的浓度，体系的带隙减小，其LUCB和HOVB的色散逐渐增大，LUCB和HOVB主要源于Ti原子及邻近C原子上电荷的贡献；Ti掺杂的AGNR(7,4)在3～9 eV的紫外线范围内能吸收特定波长的光，通过改变掺杂浓度可以有效地调节吸收强度.该项研究结果对石墨烯纳米带在纳米电子和光电器件的设计及应用中具有理论指导意义.     

基于纳米金/氮掺杂石墨烯的电化学适配体传感器检测汞离子的研究

以离子液体修饰碳糊电极(CILE)为工作电极,利用直接滴涂法将氮掺杂石墨烯(NG)固定于CILE表面后,利用恒电位法将纳米金(AuNPs)沉积在电极表面,再通过自组装法将适配体(aptamer)固定在AuNPs/NG/CILE表面制得一种新型电化学适配体传感器(aptamer/AuNPs/NG/CILE)。利用示差脉冲伏安法(DPV)对修饰电极进行表征,建立了汞离子(Hg~(2+))的电化学适配体检测方法,线性范围为1.0×10~(-9)～3.0×10~(-7)mol/L,检测限为3.33×10~(-10)mol/L。     

氮掺杂纳米TiO_2的制备及光催化性能研究

以双氰胺为氮源,温和条件下采用Sol-Gel法制备氮掺杂TiO2粉末.XRD结果显示:所制备的样品是以锐钛矿相为主、含少量金红石相的混和相;UV-Vis漫反射光谱结果显示:相对于TiO2,氮掺杂纳米二氧化钛(N/TiO2)的光吸收阈值没有发生明显的红移,但可见光吸收强度明显增大.n(N):n(Ti)=0.12:1、煅烧温度400℃、煅烧时间2 h条件下制备的N/TiO2光催化剂的催化活性最佳,可见光下,300 min内可使甲基橙的降解率达到60%.     

甲醛在本征和金掺杂石墨烯表面的吸附：第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了单个甲醛气体分子在本征石墨烯和金掺杂石墨烯基底上的吸附特性,探讨了单个甲醛分子吸附在本征石墨烯和金掺杂石墨烯稳定构型上的吸附能、磁矩变化、电荷转移、态密度及化学键变化。结果显示,与本征石墨烯相比,金原子掺杂石墨烯可提高石墨烯基底对甲醛分子的吸附能力,产生明显的磁矩变化,增加电荷转移能力。此外,态密度(DOS)分析结果表明,甲醛分子与金掺杂石墨烯基底之间存在轨道杂化。