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     

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.     

金掺杂锯齿型石墨烯纳米带的电磁学特性研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了金原子填充锯齿型石墨烯纳米带 (ZGNRs)中双空位结构的电磁学特性. 计算结果表明: 边缘位置是金原子的最稳定掺杂位置, 杂质原子的引入导致掺杂边缘的磁性被抑制, 不过掺杂率足够大时, 掺杂边缘的磁性反而恢复了. 金掺杂纳米带的能带结构对掺杂率敏感: 随着掺杂率的增大, 掺杂纳米带分别表现半导体特性、半金属特性以及金属特性. 本文的计算表明金原子掺杂可以调制ZGNR的磁性以及能带特性, 为后续实验起指导作用, 有利于推动石墨烯材料在自旋电子学方面的应用.     

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.     

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     

氮掺杂和空位对石墨烯纳米带热导率影响的分子动力学模拟

石墨烯是近年纳米材料研究领域的一个热点,其独特的热学性质受到了广泛关注,为了实现对石墨烯传热特性的预期与可控,利用氮掺杂和空位缺陷对石墨烯进行改性.采用非平衡态分子动力学方法研究了扶手形石墨烯纳米带中氮掺杂浓度、位置及空位缺陷对热导率影响并从理论上分析了热导率变化原因.研究表明氮掺杂后石墨烯纳米带热导率急剧下降,氮浓度达到30%时,热导率下降了75.8%;氮掺杂位置从冷浴向热浴移动过程中,热导率先近似的呈线性下降后上升;同时发现单原子三角形氮掺杂结构比多原子平行氮掺杂结构对热传递抑制作用强;空位缺陷的存在降低了石墨烯纳米带热导率,空位缺陷位置从冷浴向热浴移动过程中,热导率先下降后上升,空位缺陷距离冷浴边缘长度相对于整个石墨烯纳米带长度的3/10时,热导率达到最小.石墨烯纳米带热导率降低的原因主要源于结构中声子平均自由程和声子移动速度随着氮掺杂浓度、位置及空位缺陷位置的改变发生了明显变化.这些结果有利于纳米尺度下对石墨烯传热过程进行调控及为新材料的合成应用提供了理论支持.     

铂掺杂扶手椅型石墨烯纳米带的电学特性研究

本文采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算了铂原子填充扶手椅型石墨烯纳米带(AGNR)中双空位结构的电学性能.计算结果表明: 通过控制铂原子的掺杂位置, 可以实现纳米带循环经历小带隙半导体—金属—大带隙半导体的相变过程; 纳米带边缘位置是铂原子掺杂的最稳定位置, 边缘掺杂纳米带的带隙值随宽度的变化与本征AGNR一样可用三簇曲线表示, 但在较大宽度时简并成两条曲线, 一定程度上抑制了带隙值的振荡; 并且铂原子边缘掺杂导致宽度系数N_a = 3p和3p + 1(p是一个整数)的几个较窄纳米带的带隙中出现杂质能级, 有效地降低了其过大的带隙值. 此外, 铂掺杂AGNR的能带结构对掺杂浓度不是很敏感, 从而降低了对实验精度的挑战. 本文的计算有利于推动石墨烯纳米带在纳米电子学方面的应用.     

石墨烯纳米带的制备与电学特性调控

石墨烯由于其独特的晶体结构展现出了特殊的电学特性,其导带与价带相交于第一布里渊区的六个顶点处,形成带隙为零的半金属材料,具有优异的电子传输特性的同时也限制了其在电子学器件中的使用.因而科研人员尝试各种方法来打开其带隙并调控其能带特性,主要有利用缺陷、应力、掺杂、表面吸附、结构调控等手段.其中石墨烯纳米带由于量子边界效应和限制效应,存在带隙.本综述主要介绍了制备各类石墨烯纳米带的方法,并通过精确调控其细微结构,从而对其进行精确的能带调控,改变其电学特性,为其在电子学器件中的应用提供一些可行的方向.     

边缘修饰的石墨烯纳米带电子特性的第一性原理研究

本文采用第一性原理计算方法,研究了zigzag型石墨烯纳米带在边缘采用不同基团（包括氢原子、羟基、酮基、氢和羟基共同饱和）进行修饰后电子特性的改变,计算了能带结构、态密度和电荷差分密度。结果分析表明,不同基团修饰的影响本质上可归结于不同的边缘杂化方式。边缘sp2杂化方式对GNRs体系内层原子的电子状态影响很小,没有改变zigzag-GNRs的金属性;而边缘sp3杂化的体系在能带结构中打开了一个带隙,此带隙随纳米带宽度的增加而逐渐减小。其中GNRs-H2 体系和GNRs-H2O体系发生了由金属性向半导体性的转变,而GNRs-O体系费米能级升高并且进入了导带,依然呈现金属性。利用这种边缘修饰非常易于调控GNRs的电子能带结构。     

边缘修饰的石墨烯纳米带电子特性的第一性原理研究

本文采用第一性原理计算方法,研究了zigzag型石墨烯纳米带在边缘采用不同基团（包括氢原子、羟基、酮基、氢和羟基共同饱和）进行修饰后电子特性的改变,计算了能带结构、态密度和电荷差分密度。结果分析表明,不同基团修饰的影响本质上可归结于不同的边缘杂化方式。边缘sp2杂化方式对GNRs体系内层原子的电子状态影响很小,没有改变zigzag-GNRs的金属性;而边缘sp3杂化的体系在能带结构中打开了一个带隙,此带隙随纳米带宽度的增加而逐渐减小。其中GNRs-H2 体系和GNRs-H2O体系发生了由金属性向半导体性的转变,而GNRs-O体系费米能级升高并且进入了导带,依然呈现金属性。利用这种边缘修饰非常易于调控GNRs的电子能带结构。     

氧钝化石墨纳米带电子和光学性质的第一性原理

采用第一性原理方法,研究了氧原子钝化的扶手椅型石墨纳米带的结构、电磁特性和光学性质. 氧原子钝化的石墨纳米带比氢原子钝化稳定,显示出金属性质. 自旋极化计算的能带和态密度研究表明,该纳米带反铁磁态比铁磁态稳定,表现为反铁磁半导体特征. 由于边沿钝化的氧原子的影响,该系统的介电函数有明显的红移,且第一个介电峰主要由最高价带贡献. 介电函数、折射系数、吸收系数及能量损失等的峰值与电子跃迁吸收有关.     

Strain Effects on Electronic Properties of Boron Nitride Nanoribbons

We investigate the strain effects on the electronic properties of boron nitride nanoribbons （BNNFts） by using firstprinciples calculations. The results show that the energy gap of BNNRs with both armchair edges （A-BNNRs） and zigzag edges （Z-BNNFts） decreases as the strain increases. As strain increases, the energy gaps of Z-BNNRs decrease rapidly as the width increases and reduce significantly to small values, which makes Z-BNNRs change from wide-gap to narrow-gap semiconductors.     

含六方氮化硼的一维光子晶体的光学特性

从麦克斯韦方程组出发,结合电磁场边界条件推导出在倾斜光轴条件下的传输矩阵。利用该传输矩阵研究了光轴方向对基于六方氮化硼的光子晶体光学特性的影响。研究表明,当Ф=0~°时,此结构会在六方氮化硼Ⅱ型双曲区域出现全方位禁带。随着Ф的不断增大,TE波和TM波在Ⅱ型双曲区域内的光子禁带逐渐错开,对于TM波,Ⅰ型双曲区域开始产生禁带,且朝着低频方向移动;Ⅱ型双曲区域内的禁带不断变窄,并往高频方向移动。利用这些特性,可实现偏振光分离和禁带加宽。     

Electronic Properties of Graphene Nanoribbons

Physics of Atomic Nuclei - Nowadays, graphene physics is aimed at finding a way to control the band gap of graphene, which is necessary for application of graphene in nanoelectronics. The purpose...     

Effects of a Uniform Magnetic Field on Twisted Graphene Nanoribbons

In the present work, the relativistic quantum motion of massless fermions in a helicoidal graphene nanoribbon under the influence of a uniform magnetic field is investigated. Considering a uniform magnetic field (B) aligned along the axis of helicoid, this problem is explored in the context of Dirac equation in a curved space-time. As this system does not support exact solutions due to considered background, the bound-state solutions and local density of states (LDOS) are obtained numerically by means of the Numerov method. The combined effects of width of the nanoribbon (D), length of ribbon (L), twist parameter (ω), and B on the equations of motion and LDOS are analyzed and discussed. It is verified that the presence of B produces a constant minimum value of local density of state on the axis of helicoid, which is possible only for values large enough of ω, in contrast to the case for $B=0$ already studied in the literature.     

六方氮化硼薄膜对石墨烯-碳化硅结构近场热辐射的增强

六方氮化硼(hBN)具有跟石墨烯类似的层状结构和晶格参数,研究发现hBN薄膜具有良好的热传导、电绝缘、光学和力学等性能.本文从理论上研究了 hBN薄膜对石墨烯-碳化硅(G/S)结构的近场热辐射的影响.研究发现在红外频段,hBN薄膜在低频率区和高频率区会增强G/S结构的近场热辐射,经计算在G/S结构中加入厚度为10 nm...