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。     

Rb吸附石墨烯纳米带电子性质和光学性质的研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法了计算了Rb、O和H吸附石墨烯纳米带的差分电荷密度、能带结构、分波态密度和介电函数,调制了石墨烯纳米带的电子性质和光学性质,给出了不同杂质影响材料光学特性的规律.结果表明本征石墨烯纳米带为n型直接带隙半导体且带隙值为0.639 eV;Rb原子吸附石墨烯纳米带之后变为n型简并直接带隙半导体,带隙值为0.494eV;Rb和O吸附石墨烯纳米带变为p型简并直接带隙半导体,带隙值增加为0.996eV;增加H吸附石墨烯纳米带后,半导体类型变为n型直接带隙半导体,且带隙变为0.299eV,带隙值相对减小,更有利于半导体发光器件制备.吸附Rb、O和H原子后,石墨烯纳米带中电荷密度发生转移,导致C、Rb、O和H之间成键作用显著.吸附Rb之后,在费米能级附近由C-2p、Rb-5s贡献;增加O原子吸附之后,O-2p在费米能级附近贡献非常活跃,杂化效应使费米能级分裂出一条能带;再增加H原子吸附之后,Rb-4p贡献发生蓝移,O-2p在费米能级附近贡献非常强,费米能级分裂出两条能带.Rb、O和H的吸附后,明显调制了石墨烯纳米带的光学性质.     

电场调控双层石墨烯纳米带的电子结构和光学性质

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了外加电场作用下双层AA堆垛的Armchair边缘石墨烯纳米带(BAGNRs)的电子结构和光学性质. BAGNRs具有半导体特性,其带隙随带宽(宽度为4～12个碳原子)的增加而振荡性减小.当施加电场后,BAGNRs的带隙随着电场强度的增加而逐渐减小,带隙越大对电场值的变化越敏感.当电场值为0.5 V/?时,所有BAGNRs的带隙都为零. BAGNRs具有各向异性的光学性质,其介电函数在垂直极化方向为半导体特性,而在平行极化方向为金属特性.在外加电场的作用下,BAGNRs的介电函数、吸收系数、折射系数、反射系数、电子能量损失系数和光电导率,其峰值向低能量区域移动,即产生红移现象.电场增强了能带间的跃迁几率.纳米带宽度对这些光学性质参数具有不同程度的影响.研究结果解释了电场调控BAGNRs光学性质的规律和微观机理.     

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.     

硅纳米团簇与石墨烯复合结构储锂性能的第一性原理研究

本文采用第一性原理计算方法, 研究了不同晶向硅纳米团簇与石墨烯复合结构稳定性及其储锂性能. 计算了不同高度、大小硅团簇与石墨烯复合结构的结合能, 复合结构中嵌锂吸附能和PDOS. 分析表明, 硅团簇和石墨烯之间形成较强的Si—C键, 其中[111]晶向硅团簇与石墨烯作用的形成能最高, 结构最为稳定. 进一步计算其嵌锂吸附能, 发现硅团簇中靠近石墨烯界面处的储锂位置更加有利于锂的吸附, 由于锂和碳、硅之间有较强电荷转移, 其吸附能明显大于其他储锂位置. 同时在锂嵌入过程中, 由于石墨烯的引入, 明显减小了界面处硅的形变, 有望提高其作为锂电池负极材料的可逆容量.     

氢、氟原子边缘修饰β-GeSe纳米带的第一性原理研究

采用第一性原理计算方法研究了二维β相GeSe的电子结构,通过对二维单层β-GeSe剪切得到一维β-GeSe扶手椅型纳米带.研究不同带宽(N=1-5)β-GeSe扶手椅型纳米带的几何结构和电子性质,发现不同带宽纳米带能带带隙不同,带隙总体上随着带宽减小,而纳米带直接带隙半导体性质不受带宽影响.通过使用H、F原子对GeSe扶手椅型纳米带边缘修饰,H原子修饰纳米带导致能带类型从直接带隙向间接带隙的转变.在费米能级附近处F原子各轨道对价带和导带贡献比H原子各轨道贡献多,在边缘修饰中纳米带对F原子更加敏感.未修饰和使用H原子修饰纳米带在可见光范围内没有吸收峰,用F原子修饰纳米带在可见光范围内出现吸收峰.研究表明可以通过边缘修饰调控纳米带光学特性.     

锂改性点缺陷石墨烯储氢性能的第一性原理研究

本研究采用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了两种石墨烯点缺陷处原子的分波态密度(PDOS),能带结构和差分电荷密度等,研究了锂掺杂对两种本征石墨烯缺陷C-Bridge和C7557电子结构的改性,以及对其储氢能力的影响.结果表明Li原子能够稳定的掺杂且不易形成团簇,并且Li原子掺杂石墨烯能够对石墨烯能带中的狄拉克锥和费米面起到调控作用,增强了缺陷石墨烯的电子活性.本征缺陷石墨烯的储氢能力较弱,缺陷石墨烯的储氢能力可以通过Li掺杂来改善.     

石墨烯层间纳米摩擦性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了纳米尺度下石墨烯层间摩擦现象, 探讨了对称和非对称两种情况下双层石墨烯层间沿不同方向的摩擦性质. 研究发现对于对称的双层石墨烯, 层间摩擦沿不同方向同性; 摩擦因数依赖于正压力, 随正压力增大, 摩擦因数的变化曲线分为三个阶段, 在较小以及较大压力下, 摩擦因数遵循Amonton法则不随压力变化而变化; 而在中间3-6 nN阶段, 摩擦因数随压力增加线性增加. 整个研究压力范围内摩擦因数在0.05-0.25之间. 对于非对称性双层石墨烯层间摩擦, 不同压力下摩擦因数在0.006上下波动, 摩擦因数较两层对称性石墨烯大大降低. 上述研究结果与实验一致.     

Zigzag型石墨纳米带电子结构和输运性质的第一性原理研究

采用第一性原理电子结构和输运性质计算研究了zigzag型单层石墨纳米带(具有armchair 边缘)的电子结构和输运性质及其边缘空位缺陷效应. 研究发现,完整边缘的zigzag型石墨纳米带是具有一定能隙的半导体带,边缘空位缺陷的存在使得纳米带能隙变小,且缺陷浓度越大,能隙越小,并发生了半导体-金属转变. 利用这些研究结果,将有助于在能带工程中实现其电子结构裁剪. 关键词： 石墨纳米带 空位缺陷 电子结构 输运性质     

Zigzag型石墨纳米带电子结构和输运性质的第一性原理研究

采用第一性原理电子结构和输运性质计算研究了zigzag型单层石墨纳米带(具有armchair 边缘)的电子结构和输运性质及其边缘空位缺陷效应. 研究发现，完整边缘的zigzag型石墨纳米带是具有一定能隙的半导体带，边缘空位缺陷的存在使得纳米带能隙变小，且缺陷浓度越大，能隙越小，并发生了半导体-金属转变. 利用这些研究结果，将有助于在能带工程中实现其电子结构裁剪.     

A-Z-A型石墨烯场效应晶体管吸附 效应的第一性原理研究

利用第一性原理的计算方法, 研究了A-Z-A型GNR-FET的电子结构和输运性质及其分子吸附效应. 得到了以下结论: 纯净的A-Z-A型GNR-FET具有典型的双极型晶体管特性, 吸附分子的存在会使纳米带能隙变小. 对于吸附H, H₂, H₂O, N₂, NO, NO₂, O₂, CO₂和SO₂分子的情况, A-Z-A型GNR-FET仍然保持着场效应晶体管的基本特征, 但吸附不同类型的分子会使GNR-FET的输运特性发生不同程度的改变; 对于吸附OH分子的情况, 输运特性发生了本质的改变, 完全不具有场效应晶体管的特性. 这些研究结果将有助于石墨烯气体探测器的工程实现, 并对应用于不同环境中GNR-FET的设计具有重要指导意义.     

Negative differential resistance behaviour in N-doped crossed graphene nanoribbons

By using first-principles calculations and nonequilibrium Green’s function technique, we study elastic transport properties of crossed graphene nanoribbons. The results show that the electronic transport properties of molecular junctions can be modulated by doped atoms. Negative differential resistance (NDR) behaviour can be observed in a certain bias region, when crossed graphene nanoribbons are doped with nitrogen atoms at the shoulder, but it cannot be observed for pristine crossed graphene nanoribbons at low biases. A mechanism for the negative differential resistance behaviour is suggested.     

Tunable thermoelectric properties in bended graphene nanoribbons

The ballistic thermoelectric properties in bended graphene nanoribbons(GNRs) are systematically investigated by using atomistic simulation of electron and phonon transport. We find that the electron resonant tunneling effect occurs in the metallic–semiconducting linked ZZ-GNRs(the bended GNRs with zigzag edge leads). The electron-wave quantum interference effect occurs in the metallic–metallic linked AA-GNRs(the bended GNRs with armchair edge leads).These different physical mechanisms lead to the large Seebeck coefficient S and high electron conductance in bended ZZGNRs/AA-GNRs. Combined with the reduced lattice thermal conduction, the significant enhancement of the figure of merit ZT is predicted. Moreover, we find that the ZTmax(the maximum peak of ZT) is sensitive to the structural parameters. It can be conveniently tuned by changing the interbend length of bended GNRs. The magnitude of ZT ranges from the 0.15 to 0.72. Geometry-controlled ballistic thermoelectric effect offers an effective way to design thermoelectric devices such as thermocouples based on graphene.     

基于Z型石墨纳米条带的量子点：第一性原理研究

本文采用全自洽的格林函数和电子密度泛函理论方法对Z型石墨纳米条带的电子结构和输运性质进行了理论研究。理论计算结果表明Z型石墨纳米条带可以用来设计量子点。由于分子结的特殊几何结构，一些分立电子态可以被囚禁在中间纳米条带内，表现出明显量子限域效应。我们还发现这些被囚禁电子态的数目和它们的空间分布特征是可以调制的，然而这种基于Z型石墨纳米条带的量子点总是可以实现，而不受掺杂、边界化学修饰以及分子结长度的影响     

First-principles study of the electronic structure and transport properties of armchair graphene nanoribbons with adsorbed super-halogen LiF2 and super-alkali Li3 clusters

The electronic structure and quantum transport properties of pristine armchair graphene nanoribbons (AGNRs) and AGNRs adsorbing super-halogen LiF₂ and super-alkaline Li₃ clusters (Li₃/AGNRs/LiF₂) were investigated using density functional theory and non-equilibrium Green's function calculations. It was found that LiF₂ and Li₃ clusters are stably adsorbed on the AGNRs, and the adsorption of Li₃ and LiF₂ endows AGNRs with the characteristics of n-type and p-type semiconductors, respectively. The Li₃/AGNRs/LiF₂ structure reduces the band gap and the turn-on voltage, and improves the transmission coefficient of the ANGRs device. This structure also exhibit the rectification characteristics of a pn junction with the forward bias current greater than the reverse bias current. This shows that adsorption of super-alkali and super-halogen clusters in different regions of AGNRs is a feasible approach for obtaining AGNRs with pn junction characteristics.     

石墨烯纳米片大自旋特性第一性原理研究

通过基于密度泛函理论的全电子数值轨道第一性原理电子结构计算,研究了各种形状有限石墨烯片段(石墨烯纳米片, GNF)的磁特性,证明GNF的自旋磁有序来源于由其形状决定的π键拓扑挫折(topological frustration)作用.锯齿形边缘的三角形GNF的净自旋不为零,如同一个人造铁磁性原子团,总自旋随尺度线性增加.根据拓扑挫折原理,可以在GNF中引入较大的净自旋和独特的自旋分布,如由三角形GNF单元构成的复杂分形结构,总自旋随分形级数呈指数上升.通过刻蚀技术制作具有一定拓扑结构的GNF可以实现可控自旋电子纳米材料和器件应用.     

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     

Electronic properties of graphene nanoribbon doped by boron/nitrogen pair: a first-principles study

By using the first-principles calculations, the electronic properties of graphene nanoribbon (GNR) doped by boron/nitrogen (B/N) bonded pair are investigated. It is found that B/N bonded pair tends to be doped at the edges of GNR and B/N pair doping in GNR is easier to carry out than single B doping and unbonded B/N co-doping in GNR. The electronic structure of GNR doped by B/N pair is very sensitive to doping site besides the ribbon width and chirality. Moreover, B/N pair doping can selectively adjust the energy gap of armchair GNR and can induce the semimetal-semiconductor transmission for zigzag GNR. This fact may lead to a possible method for energy band engineering of GNRs and benefit the design of graphene electronic device.