单壁碳纳米管能带及其电子特性研究

从能带理论出发,采用电子紧束缚能量色散关系,推导锯齿,扶手椅和手性单壁碳纳米管(SWCNT)的电子能带结构表达式,指出单壁碳纳米管或为金属或为半导体的判据。结果表示:单壁碳纳米管的电子结构与其几何结构密切相关,如扶手椅型单壁碳纳米管是金属性的,而对其它类型的单壁碳纳米管是与碳纳米管的手性指数有关,只有手性指数n和m的差别等于3的倍数时,单壁碳纳米管是金属性的,否则会显出有带隙的半导体特性。这意味着单壁碳纳米管是由特殊的电子传输和光学性质,在纳米电子学领域具有巨大的潜在应用价值。     

外加横向电场作用下石墨烯纳米带电子结构的密度泛函紧束缚计算

采用基于密度泛函理论的紧束缚方法计算研究了外加横向电场对边缘未加氢/加氢钝化的扶手椅型石墨烯纳米带的电子结构及电子布居数的影响.计算结果表明,石墨烯纳米带的能隙变化受其宽带影响.当施加沿其宽度方向的横向外加电场时,纳米带的能带结构及态密度都会产生较大的变化.对于具有半导体性的边缘未加氢纳米带,随着所施加电场强度的增加,会发生半导体-金属的转变.同时,电场也会对能级分布产生显著影响.外加电场导致纳米带内原子上电子布居数分布失去对称性,电场强度越大,其布居数不对称性越明显.边缘加氢钝化可以显著改变纳米带内原子上的布居数分布.     

石墨烯纳米片电子结构和量子输运特性第一原理研究

用基于密度泛函理论的原子紧束缚方法计算研究单层石墨烯纳米圆片和纳米带的电子结构,并结合第一原理和非平衡函数法计算量子输运特性.通过电子能态和轨道密度分布研究纳米碳原子层的电子成键状态,结合电子透射谱、电导和电子势分布分析电子散射与输运机制.石墨烯纳米带和纳米圆片分别呈现金属和半导体的能带特征,片层边缘上电极化分别沿垂直和切向方向,电子电导出现较大的差异,来源于石墨烯纳米圆片边缘的突出碳原子环对电子的强散射.石墨烯纳米带的电子透射谱表现为近似台阶式变化并在费米能级处存在弹道电导峰,而石墨烯纳米圆片的电子能带和透射谱在费米能级处开口并且因量子限制作用呈现更加离散的多条高态密度窄能带和尖锐谱峰.     

旋转双层石墨烯的电子结构

本文将第一性原理和紧束缚方法结合起来, 研究了层间不同旋转角度对双层石墨烯的电子能带结构和态密度的影响. 分析发现, 旋转双层石墨烯具有线性的电子能量色散关系, 但其费米速度随着旋转角度的减小而降低. 进一步研究其电子能带结构发现, 不同旋转角度的双层石墨烯在M点可能会出现大小不同的的带隙, 而这些能隙会增强双层石墨烯的拉曼模强度, 并由拉曼光谱实验所证实. 通过对比双层石墨烯的晶体结构和电子态密度, 发现M点处带隙来自于晶体结构中的“类AB堆垛区”. 关键词： 旋转双层石墨烯 第一性原理 紧束缚 电子结构     

非近邻跳跃对扶手椅型石墨烯纳米带电子结构的影响

根据π电子的紧束缚模型,将电子的次近邻和第三近邻跳跃能考虑在内,得到扶手椅型石墨烯纳米带（AGRNs）能带结构的解析解.讨论了由次近邻和第三近邻电子跳跃引起的能带和能隙变化,发现次近邻和第三近邻跳跃分别对带隙产生增大和减小的影响. 比较了边界弛豫与非近邻跳跃之间的互相竞争关系. 当纳米带的宽度n为奇数时,二维石墨面的紧束缚模型中所固有的van Hove奇异性表现为AGRNs中的无色散带. 当AGRNs宽度增加时,能谱趋向于二维石墨烯时的能谱结构. 关键词： 扶手椅型石墨烯纳米带 非近邻跳跃 边界弛豫 电子结构     

石墨烯纳米带卷曲效应对其电子特性的影响

石墨烯纳米带 (GNRs) 是一种重要的纳米材料, 碳纳米管可看作是GNRs卷曲而成的无缝圆筒. 利用基于密度泛函理论的第一性原理方法, 系统研究了GNRs卷曲变形到不同几何构型时, 其电子特性, 包括能带结构 (特别是带隙) 、态密度、透射谱的变化规律. 结果表明: 无论是锯齿型GNRs (ZGNRs) 或扶手椅型GNRs (AGNRs), 在其卷曲成管之前, 其电子特性对卷曲形变均不敏感, 这意味着GNRs的电子结构及输运特性有较强地抵抗卷曲变形的能力. 当GNRs 卷曲成管后, ZGNRs和AGNRs表现出完全不同的性质, ZGNRs几乎保持金属性不变或变为准金属; 但AGNRs的电子特性有较大的变化, 出现不同带隙半导体、准金属之间的转变, 这也许密切关系到碳纳米管管口周长方向上的周期性边界条件及量子禁锢的改变. 这些研究对于了解GNRs电子特性的卷曲效应、以及GNRs与碳纳米管电子特性的关系 (结构与特性的关系) 有重要意义. 关键词： 石墨烯纳米带 卷曲效应 电子特性 密度泛函理论     

周期性纳米洞内边缘氧饱和石墨烯纳米带的电子特性

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了内边缘氧饱和的周期性凿洞石墨烯纳米带（G NR）的电子特性. 研究结果表明：对于凿洞锯齿形石墨烯纳米带（ZGNRs）,在非磁性态时不仅始终为金属,且金属性明显增强;反铁磁态（AFM）时为半导体的ZGNR,凿洞后可能成为金属;但铁磁态（FM）为金属的ZGNR,凿洞后一般变为半导体或半金属. 而对于凿洞的扶手椅形石墨烯（AGNRs）,其带隙会明显增加. 深入分析发现：这是由于氧原子对石墨烯纳米带边的电子特性有重要的影响,以及颈次级纳米带（NSNR）及边缘次级纳米带（ESNR）的不同宽度及边缘形状（锯齿或扶手椅形）能呈现出不同的量子限域效应. 这些研究对于发展纳米电子器件有重要的意义. 关键词： 石墨烯纳米带 纳米洞 内边缘氧饱和 电子特性     

次近邻跃迁对石墨烯纳米带输运性质的影响

根据紧束缚模型,利用格林函数的方法,将次近邻跃迁考虑在内,研究了扶手椅型石墨烯纳米带的输运性质.通过数值计算,给出了不同尺寸和不同次近邻跃迁能下系统的能量-电导和电流-电压特征曲线.结果表明,次近邻跃迁对扶手椅型石墨烯纳米带的输运性质有显著的影响.它破坏了电导共振峰关于能量的对称分布,增强了系统的导电性,减小了电子导电偏压阈值,加速了系统输运性能由半导体向导体转变. 次近邻跃迁能和石墨烯纳米带的尺寸越大,这种影响越明显     

锯齿型石墨烯纳米带的能带研究

运用π电子紧束缚模型,具体研究了锯齿型石墨烯纳米带(ZGNRs)的边界结构对能带,特别是费米面附近的导带和价带电子的影响.计算了七种不同边界结构的ZGNRs的能带色散关系及费米面附近价带电子在原胞中各原子上的分布情况.计算结果表明:两边界都无悬挂原子的NN-ZGNRs,只有一边界有悬挂原子的DN-ZGNRs,两边界都有五边形环的SPP-ZGNRs和ASPP-ZGNRs为金属性.两边界都有悬挂原子的DD-ZGNRs,一边界为五边形环另一边界无悬挂原子的PN-ZGNRs和一边界为五边形环另一边界有悬挂原子的P 关键词： 锯齿型石墨烯纳米带 紧束缚模型 电子密度分布 缺陷结构     

BN链掺杂的石墨烯纳米带的电学及磁学特性

基于密度泛函理论第一性原理系统研究了BN链掺杂石墨烯纳米带(GNRs)的电学及磁学特性, 对锯齿型石墨烯纳米带(ZGNRs)分非磁态(NM)、反铁磁态(AFM)及铁磁性(FM)三种情况分别进行考虑. 重点研究了单个BN链掺杂的位置效应. 计算发现: BN链掺杂扶手椅型石墨烯纳米带(AGNRs) 能使带隙增加, 不同位置的掺杂, 能使其成为带隙丰富的半导体. BN链掺杂非磁态ZGNR的不同位置, 其金属性均降低, 并能出现准金属的情况; BN链掺杂反铁磁态ZGNR, 能使其从半导体变为金属或半金属(half-metal), 这取决于掺杂的位置; BN链掺杂铁磁态ZGNR, 其金属性保持不变, 与掺杂位置无关. 这些结果表明: BN链掺杂能有效调控石墨烯纳米带的电子结构, 并形成丰富的电学及磁学特性, 这对于发展各种类型的石墨烯基纳米电子器件有重要意义. 关键词： 石墨烯纳米带 BN链掺杂 输运性质 自旋极化     

Fano Factor in Strained Graphene Nanoribbon Nanodevices

We investigate the Fano factor in a strained armchair and zigzag graphene nanoribbon nanodevice under the effect of ac fheld in a wide range of frequencies at different temperatures(10 K-70 K). This nanodevice is modeled as follows: a graphene nanoribbon is connected to two metallic leads. These two metallic leads operate as a source and a drain. The conducting substance is the gate electrode in this three-terminal nanodevice. Another metallic gate is used to govern the electrostatics and the switching of the graphene nanoribbon channel. The substances at the graphene nanoribbon/metal contact are controlled by the back gate. The photon-assisted tunneling probability is deduced by solving the Dirac eigenvalue differential equation in which the Fano factor is expressed in terms of this tunneling probability. The results show that for the investigated nanodevice, the Fano factor decreases as the frequency of the induced ac fheld increases, while it increases as the temperature increases.In general, the Fano factors for both strained armchair and zigzag graphene nanoribbons are different. This is due to the effect of the uniaxial strain. It is shown that the band structure parameters of graphene nanoribbons at the energy gap, the C-C bond length, the hopping integral, the Fermi energy and the width are modulated by uniaxial strain. This research gives us a promise of the present nanodevice being used for digital nanoelectronics and sensors.     

Band structure of deformed armchair nanoribbon with bond alternation

Electronic energy band structure of deformed armchair graphene nanoribbons with bond alternation is studied by the tight-binding approximation. In the presence of bond alternation, all armchair graphene nanoribbons become semiconducting with small band gap opened at center of the Brillouin zone. Under tensional strain, armchair graphene nanoribbons can become metallic at the critical values of deformation and we can control the band gap of nanoribbon by its strain.     

氢化与非氢化石墨烯纳米条带的密度泛函研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了宽度N=8的边缘氢化和非氢化条带的结构和电子性质. 研究表明,扶手形无氢化石墨纳米条带的边缘碳原子是以三重键相互结合,它在边缘的成键强度比氢化时要高,具有更强的化学活性,可作为纳米化学传感器的基础材料. 能带结构计算表明,无论是扶手形条带还是锯齿形条带,它们都是具有带隙的半导体,且无氢化条带的带隙要比氢化的条带带隙宽度大,氢化对于条带的电子性质具有显著修饰作用. 通过锯齿形石墨纳米条带顺磁性、铁磁性和反铁磁性的计算,发现反铁磁的状态最稳定,并且边缘磁性最强,这有利于条带在自旋电子器件中的应用. 关键词： 石墨纳米条带 成键机理 电子结构 自旋分布     

Charge susceptibilities of armchair graphene nanoribbon in the presence of magnetic field

We present the behaviors of both dynamical and static charge susceptibilities of undoped armchair graphene nanoribbon using the Green's function approach in the context of tight binding model Hamiltonian.Specifically,the effects of magnetic field on the the plasmon modes of armchair graphene nanoribbon are investigated via calculating the correlation function of charge density operators.Our results show that the increase of magnetic field makes the high-frequency plasmon mode for both metallic and insulating cases disappear.We also show that low-frequency plasmon mode for metallic nanoribbon appears due to increase of magnetic field.Furthermore,the number of collective excitation modes increases with ribbon width at zero magnetic field.Finally,the temperature dependence of the static charge structure factor of armchair graphene nanoribbon is studied.The effects of both magnetic field and ribbon width on the static charge structure factor are discussed in detail.     

基于石墨烯纳米带的齿形表面等离激元滤波器的研究

提出了一种基于石墨烯纳米带的齿形表面等离激元波导滤波器, 并且用时域有限差分法研究了这种结构. 单个齿形的滤波器可以实现带阻滤波, 其滤波特性可以用基于散射矩阵的解析模型解释. 滤波器的透射谱特性可以通过调节齿的长度、宽度以及石墨烯的化学势来改变. 由于石墨烯的化学势可以用门电路来调节, 这种结构的滤波器可以在器件加工完成后灵活地调节其工作波长. 同时研究了多齿滤波器, 这种结构可以实现宽带滤波, 文中对具有不同齿数、周期的滤波器的透射谱进行了细致的研究. 研究结果对实现基于石墨烯的大规模集成光电子器件提供了重要的理论参考.     

The investigation on the electronic structures of hybrid GNR-ZnO

To investigate the modification of graphene for a good semiconductor performance, the model of graphene nanoribbon (GNR) and the model of hybrid GNR-ZnO are presented, respectively. The electronic structures such as band structure, density of electronic states (DOS) are investigated by using first-principles calculations based on density functional theory. The results show that the ZnO has direct contribution to the formation of valence band with the composites, which changes the properties of graphene; the adsorption of ZnO nanostructure has an impressive impact on the graphene nanoribbon, which causes the band gap of the composite to become narrower than that of intrinsic graphene nanoribbon. In terms of the graphene nanoribbon, its differentiation of 2p state weakens gradually from the marginal zone to the central region. The mechanism of electronic structure of the graphene nanoribbon and hybrid GNR-ZnO is also discussed to give a further explanation for the change. The results provide a potential way to improve the properties of intrinsic graphene and enhance the controllability of graphene-based materials structure.