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     

掺杂三角形硼氮片的锯齿型石墨烯纳米带的磁电子学性质

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了三角形BN片掺杂的锯齿型石墨烯纳米带(ZGNR)的磁电子学特性.研究表明:当处于无磁态时,不同位置掺杂的ZGNR都为金属;当处于铁磁态时,随着杂质位置由纳米带的一边移向另一边时,依次可以实现自旋金属-自旋半金属-自旋半导体的变化过程,且只要不在纳米带的边缘掺杂,掺杂的ZGNR就为自旋半金属;当处于反铁磁态时,在中间区域掺杂的ZGNR都为自旋金属,而在两边缘掺杂的ZGNR没有反铁磁态.掺杂ZGNR的结构稳定,在中间区域掺杂时反铁磁态是基态,而在边缘掺杂时铁磁态为基态.研究结果对于发展基于石墨烯的纳米电子器件具有重要意义.     

掺杂菱形BN片的石墨烯纳米带的电子特性

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,系统研究掺杂菱形BN片的石墨烯纳米带的电子特性.掺杂使扶手椅型石墨烯纳米带（AGNRs）的带隙增大,不同位置掺杂AGNRs的带隙大小略有差异.在无磁性态,无论是否掺杂,锯齿型石墨烯纳米带（ZGNRs）都为金属.在铁磁态,掺杂使ZGNRs由金属转变为半导体.而处于反铁磁态时,无论是否掺杂,ZGNRs都为半导体,掺杂使其带隙发生改变.掺杂的AGNRs和ZGNRs的结构稳定,掺杂ZGNRs的基态为反铁磁态.掺杂菱形BN片可以有效调控GNRs的电子特性.     

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     

含单排线缺陷锯齿型石墨烯纳米带的电磁性质

基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了含单排线缺陷锯齿型石墨烯纳米带(ZGNR)的电磁性质,主要计算了该缺陷处于不同位置时的能带结构、透射谱、自旋极化电荷密度、总能以及布洛赫态.研究表明,含单排线缺陷的ZGNR和无缺陷的ZGNR在非磁性态和铁磁态下都为金属.虽然都为金属,但其呈金属性的成因有差异.在反铁磁态下,单排线缺陷越靠近ZGNR的边缘,对ZGNR电磁性质的影响越明显,缺陷由ZGNR对称轴线向边缘移动过程中,含单排线缺陷的ZGNR有一个半导体-半金属-金属的相变过程.虽然线缺陷靠近中线的ZGNR为半导体,但由于缺陷引入新的能带,导致含单排线缺陷的ZGNR的带隙小于无缺陷ZGNR的带隙.单排线缺陷紧邻边界时,含缺陷ZGNR最稳定;单排线缺陷位于次近邻边界位置时,含缺陷ZGNR最不稳定.在反铁磁态下,对单排线缺陷位于对称轴线的ZGNR施加适当的横向电场,可以实现半导体到半金属的转变.这些研究结果对于发展基于石墨烯的纳米电子器件有重要的意义.     

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     

三角形石墨烯量子点阵列的磁电子学特性和磁输运性质

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了三角形石墨烯纳米片用不同连接方式拼接而成的四种一维量子点阵列(1D QDAs)的磁电子学性质和磁输运性质.结合能计算表明所有1D QDAs是非常稳定的.特别是研究发现1D QDAs的电子和磁性质不仅依赖于磁性态,也明显依赖于连接方式,如在无磁态时,不同量子点阵列(QDAs)可为金属或窄带隙半导体.在铁磁态时,不同QDAs能为半金属(half-metal)或带隙不同的双极化磁性半导体.而在反铁磁态时,不同QDAs为带隙不等的半导体.这些结果意味着连接方式对有效调控纳米结构电子和磁性质扮演重要的角色.1D QDAs呈现的半金属或双极化磁性半导体性质对于发展磁器件是非常重要的,而这些性质未曾在本征石墨烯纳米带中出现.同时,我们也研究了一种阵列的磁器件特性,发现其拥有完美的(100%)单或双自旋过滤效应,尤其是呈现超过109%的巨磁阻效应.     

双空位缺陷石墨纳米带的电子结构和输运性质研究

基于第一原理电子结构和输运性质计算,研究了585双空位拓扑缺陷对锯齿（zigzag）型石墨纳米带（具有椅型（armchair）边）电子结构和输运性质的影响.研究发现,585双空位缺陷的存在使得锯齿型石墨纳米带的能隙增大,并在能隙中出现了一条局域于缺陷处的缺陷态能带,双空位缺陷的取向也影响其能带结构.另外,585双空位缺陷对能隙较小的锯齿型石墨纳米带输运性质的影响较大,而对能隙较大的锯齿型石墨纳米带影响很小,缺陷取向并不显著影响纳米带的输运性质. 关键词： 石墨纳米带 585空位缺陷 电子结构 输运性质     

钙钛矿锰氧化物(Nd1-xLax)0.5Ca0.5MnO3体系中的铁磁再入现象

研究了(Nd1-xLax)0.5Ca0.5MnO3(0≤x≤0.5)体系的X射线衍射谱,Raman吸收谱和电输运特性.通过电输运性质的测量给出了金属绝缘转变温度Tm与A位离子平均半径之间的关联.结果表明,La3 离子的掺杂压制低温下的电荷有序,导致金属绝缘转变开始出现,且随掺杂浓度的增加,金属绝缘转变(MI)温度(Tm)向高温区移动,对应的峰值电阻率ρp降低.X射线衍射谱和电输运特性均表明,La3 离子的掺入使得A位平均离子半径(〈rA〉)增大,导致局部晶格畸变减小.在掺杂量0.3≤x≤0.5的区域范围内,随着x的增加,双交换作用逐渐增强,有利于低温下铁磁态的形成.但热循环实验的研究结果表明,这种铁磁态属于亚稳态,在能量上反铁磁态比铁磁态更稳定.     

应变和C掺杂对单层BN纳米片的电子结构和磁学性质的影响

利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 研究了应变和C原子掺杂对单层BN纳米片的电子结构和磁学性质的影响. 计算结果表明未掺杂的单层BN纳米片具有宽的直接带隙, 在压缩和拉伸应变的作用下, 带隙会分别增大和减小, 但应变对带隙的调制整体效果不太明显. 单个C原子掺入BN纳米片的态密度揭示体系呈现出半金属性(Half-metallicity), 磁矩主要源于C 2p态, 而B 2p和N 2p态在极化作用下也能提供部分磁矩. 两个C原子掺入BN纳米片时, 磁性基态会随着C原子的间距发生变化: 当两C原子为最近邻(nn)和次近邻(nnn)时, 反铁磁态为磁性基态; 而当两C原子为次次近邻(nnnn)时, 铁磁态为基态, 并且其态密度也显示出半金属性.     

有限尺寸石墨烯的电子态

根据π电子的紧束缚模型, 通过有限系统的Bloch定理方法, 解析计算了有限尺寸石墨烯的电子态和能带. 研究发现, 其电子态有且只有两类, 分别是驻波态和边缘态.驻波态时, 波函数形式是两个方向都是正弦函数; 边缘态时, 波函数形式是Armchair边界的方向是双曲正弦函数, Zigzag边界的方向是正弦函数. 其能带由总碳原子数N个离散的本征值组成, 推导了定量计算边缘态的本征值个数的表达式, 并通过态密度来分析边缘态的存在和与无限大情况的一致性. 所有的分析中数值结果与解析理论都完全一致, 当两个受限方向都变成无限长时, 可以得到与无限大石墨烯相同的结果. 关键词： 紧束缚模型 石墨烯 边缘态 态密度     

Structural stability and electronic properties of Ni-doped armchair graphene nanoribbons

The size dependent electronic properties of armchair graphene nanoribbons (AGNR) with Ni doped atoms have been investigated using spin-unrestricted density functional theory. We predict antiferromagnetic (AFM) ground states for Ni-termination and one edge Ni-doping. The computed formation energy reveals that one edge Ni-terminated AGNR are energetically more favourable as compared to pristine ribbons. One edge substitutional doping is energetically more favourable as compared to centre doping by ∼1 eV whereas both edge doping is unfavourable. The bond length of substitutional Ni atoms is shorter than that of Ni adsorption in GNR, implying a stronger binding for substitutional Ni atoms. It is evident that binding energy is also affected by the coordination number of the foreign atom. The results show that Ni-interaction perturbs the electronic structure of the ribbons significantly, causing enhanced metallicity for all configurations irrespective of doping site. The band structures reveal the separation of spin up and down electronic states indicating towards the existence of spin polarized current in Ni-terminated and one edge doped ribbons. Our calculation predicts that AGNR containing Ni impurities can play an important role for the fabrication of spin filters and spintronic devices.     

Structural, electronic, and magnetic properties of pristine and oxygen-adsorbed graphene nanoribbons

The structural, electronic and magnetic properties of pristine and oxygen-adsorbed (3,0) zigzag and (6,1) armchair graphene nanoribbons have been investigated theoretically, by employing the ab initio pseudopotential method within the density functional scheme. The zigzag nanoribbon is more stable with antiferromagnetically coupled edges, and is semiconducting. The armchair nanoribbon does not show any preference for magnetic ordering and is semiconducting. The oxygen molecule in its triplet state is adsorbed most stably at the edge of the zigzag nanoribbon. The Stoner metallic behaviour of the ferromagnetic nanoribbons and the Slater insulating (ground state) behaviour of the antiferromagnetic nanoribbons remain intact upon oxygen adsorption. However, the local magnetic moment of the edge carbon atom of the ferromagnetic zigzag ribbon is drastically reduced, due to the formation of a spin-paired C-O bond.     

Energy gaps in graphene nanoribbons

Based on a first-principles approach, we present scaling rules for the band gaps of graphene nanoribbons (GNRs) as a function of their widths. The GNRs considered have either armchair or zigzag shaped edges on both sides with hydrogen passivation. Both varieties of ribbons are shown to have band gaps. This differs from the results of simple tight-binding calculations or solutions of the Dirac's equation based on them. Our ab initio calculations show that the origin of energy gaps for GNRs with armchair shaped edges arises from both quantum confinement and the crucial effect of the edges. For GNRs with zigzag shaped edges, gaps appear because of a staggered sublattice potential on the hexagonal lattice due to edge magnetization. The rich gap structure for ribbons with armchair shaped edges is further obtained analytically including edge effects. These results reproduce our ab initio calculation results very well.     

Theoretical calculation of excitonic binding energies and optical absorption spectra for Armchair graphene nanoribbons

In this paper the excitons of armchair graphene nanoribbons with layers of different width and thickness have been investigated. In this investigation, the band structure and energy gap of armchair graphene nanoribbons have been calculated using a tight-binding model including edge deformation effects (all edge atoms have been passivated with hydrogen atoms). Also, by calculating the conductance in armchair graphene nanoribbons (A-GNRs) optical absorption of armchair graphene nanoribbon in the single-electron approximation has been obtained. Finally, the binding energy of excitons in armchair graphene nanoribbons has been calculated using the Wannier model, Hartree-Fock approximation and the Bethe-Salpeter equation.     

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     

Zigzag型边界石墨烯纳米带的电子态

在紧束缚近似下, 提出有限系统的Bloch定理方法, 解析计算了Zigzag型石墨烯纳米带的电子态和能带.研究发现, 其电子态有两类, 分别是驻波态和边缘态; 驻波态的波矢为实数, 波函数是正弦函数形式; 边缘态的波矢主要是虚数, 实数部分为零或者π/2, 波函数是双曲正弦函数形式. Zigzag型石墨烯纳米带的能带由驻波态能量和边缘态能量组成, 我们推导了边缘态的关于无限长方向波矢和能量的精确取值范围. 讨论了边缘态和驻波态的过渡点, 发现两种电子态通过不同的方式在受限波矢趋于零时关于格点位置逼近线性关系. 当受限方向也变成无限长时, 可以得到与无限大石墨烯相同的能带关系. 关键词： 紧束缚模型 Zigzag型石墨烯纳米带 边缘态     

单空位缺陷对石墨纳米带电子结构和输运性质的影响

基于第一性原理电子结构和输运性质计算,研究了单空位缺陷对单层石墨纳米带(包括zigzag型和armchair型带)电子性质的影响.研究发现,单空位缺陷使石墨纳米带在费米面上出现一平直的缺陷态能带;单空位缺陷的引入使zigzag型半导体性的石墨纳米带变为金属性,这在能带工程中有重要的应用价值;奇数宽度的armchair型石墨纳米带表现出金属特性,有着很好的导电性能,同时,偶数宽度的armchair型石墨带虽有金属性的能带结构,但却有类似半导体的伏安特性;单空位缺陷使得奇数宽度的armchair石墨纳米带导电 关键词： 石墨纳米带 单空位缺陷 电子结构 输运性质