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.     

单空位缺陷诱导的扶手椅型石墨烯纳米带电学性能的转变

本文基于密度泛函理论的第一性原理计算了单空位缺陷对 扶手椅型石墨烯纳米带电学特性的影响. 计算结果表明: 当单空位位于纳米带边缘位置时, 系统结构最稳定. 不同位置上单空位缺陷的引入都会使得原本为半导体的本征 扶手椅型石墨烯纳米带变成金属性; 随着单空位浓度的减小, 其对纳米带能带结构的影响逐渐减弱; 随着纳米带宽度的增大, 表征其金属性的特征值表现出震荡性的减弱. 单空位缺陷诱导的扶手椅型纳米带的半导体特性到金属特性的转变为石墨烯在 电子器件中的应用提供了理论指导. 关键词： 扶手椅型石墨烯纳米带 单空位缺陷 电学性能     

PbWO4晶体空位型缺陷电子结构的研究

采用基于密度泛函理论的相对论性离散变分和嵌入团簇方法计算了PbWO4晶体中与氧空位和铅空位相关缺陷的态密度分布,并运用过渡态方法计算了其激发能. 结果表明:PbWO4晶体中WO3+VO缺陷的O2p→W5d跃迁可引起350nm和420nm附近的吸收,并且发现VPb的存在可以使WO42-基团的禁带宽度明显变小.     

空位结构缺陷对C纳米管弹性性质的影响

用分子动力学方法对不同空位缺陷的扶手椅型与锯齿型单壁C纳米管杨氏弹性模量进行了计算和分析. 结果表明：扶手椅型（5, 5）, （10,10）和锯齿型（9, 0）, （18, 0） 纳米管在无缺陷时其杨氏模量分别为948,901和804,860 GPa. 随管径的增大,扶手椅型和锯齿型单壁C纳米管弹性模量分别减小和增大,表现出完全不同的变化规律. 随着C纳米管中单点空位缺陷的均匀增加,杨氏模量下降,当缺陷比率增加到一定程度时,杨氏模量下降骤然趋缓,形成一下降平台;双空位缺陷对C纳米管杨氏模量的影响与其分布方向有关;随单点空位缺陷间原子数的增加,在轴向上,杨氏模量下降到某一值小幅波动,而在周向上杨氏模量先下降,然后上升到某一稳定值. 随两单点空位缺陷的空间距离进一步增大,杨氏模量又呈微降趋势. 通过分子间σ键与π键特征及缺陷间近程电子云耦合作用规律与空位缺陷内部5-1DB缺陷的形成特点等理论对上述规律进行了分析. 关键词： 空位缺陷 C纳米管 分子动力学 杨氏模量     

PbWO4晶体空位型缺陷电子结构的研究

采用基于密度泛函理论的相对论性离散变分和嵌入团簇方法计算了PbWO4晶体中与氧空位和铅空位相关缺陷的态密度分布,并运用过渡态方法计算了其激发能.结果表明:PbWO4晶体中WO3+VO缺陷的O2p→W5d跃迁可引起350nm和420nm附近的吸收,并且发现VPb的存在可以使WO42基团的禁带宽度明显变小 关键词： PbWO4晶体 密度泛函 氧空位和铅空位 态密度分布     

硼烯/石墨烯异质结缺陷态电子结构的第一性原理研究

采用密度泛函理论系统研究了硼烯-石墨烯异质结中缺陷态对体系电子结构特性的影响.发现缺陷态存在于石墨烯一侧时会破坏异质结结构;但缺陷态存在于硼烯一侧时异质结结构仍然会稳定存在,并且体系电子结构随缺陷态密度改变而发生明显变化:从无缺陷态时的金属特性变为多缺陷态时的半导体特性.常温下的分子动力学模拟进一步验证了相关体系的动力学稳定性.     

δ-Pu空位缺陷的密度泛函理论计算

采用密度泛函理论框架下的平面波赝势方法,计算了空位缺陷对δ-Pu结构稳定性和电子结构的影响.建立了1×1×2、2×2×1和2×2×2 3种晶胞中的空位缺陷模型,分别计算了其晶格常数、空位形成能、结合能、态密度、电荷密度分布以及Mulliken电荷布居.计算结果表明:空位缺陷在δ-Pu中不能稳定存在,且会导致晶体的整体结构稳定性降低.在3种缺陷模型中,2×2×1的模型空位稳定性和结构稳定性都相对更强;空位导致δ-Pu电子的局域性降低,电子相互作用也发生了一定的变化,其中2×2×1的模型中与空位最邻近的Pu原子发生了明显的sp杂化,这在一定程度上说明了其稳定性最强的原因;空位引起电荷由近空位端向近Pu端转移,且导致最邻近Pu原子失去电子,而这部分电子主要由6p轨道贡献.     

钠在空位石墨烯上吸附性能的研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了本征石墨烯和空位石墨烯吸附钠原子的电荷密度、吸附能、态密度和储存量.结果表明,在两种石墨烯中,钠原子的最佳吸附位置都为H位.空位石墨烯对钠原子的吸附能是-2. 46 eV,约为本征石墨烯对钠原子吸附能的3. 4倍;钠原子与空位石墨烯中的碳原子发生轨道杂化,而与本征石墨烯没发生轨道杂化现象.存在一个空位的石墨烯能够吸附5个钠原子,与本征石墨烯相比显著提高.因此,空位石墨烯有望成为一种潜在的储钠材料.     

纤锌矿ZnO：Cu体系空位缺陷的电磁特性理论研究

ZnO:Cu体系具有p型导电性并出现室温铁磁性,但是对于其磁性来源还颇有争议.用Cu掺杂ZnO晶体容易增加空位缺陷产生的几率,从而使ZnO:Cu体系产生磁性.因此,本文采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法对ZnO:Cu及其本征空位缺陷体系进行了理论研究,分别计算分析了ZnO:Cu超晶胞中相对Cu为近邻、次近邻、远近邻位置锌空位和氧空位的出现后体系的晶格结构、形成能、能带结构、态密度以及磁矩,以便准确合理地对其电磁特性进行判定.结果表明,ZnO:Cu远近邻VZn容易形成且其费米能级附近态密度较无缺陷体系增大,导电性增强;而含VO的缺陷体系禁带远远增大且变为间接带隙半导体,其费米能级处的态密度几乎不变或微弱减小,导电性无增强.Cu近邻VZn和VO的引入会导致ZnO:Cu掺杂系统的磁性相几乎或完全消失,但较远VO的出现无法显著改变磁性,较远VZn的出现使体系磁性增强.因此,在实验过程中要实现ZnO:Cu掺杂体系的良好电磁特性,应尽量避免Cu近邻VZn和VO的出现,而有效利用远近邻锌空位缺陷.     

单空位缺陷对二维δ-InSe稳定性的影响

二维InSe半导体材料由于其优异的电学性能以及适中可调的带隙等优点,引起了研究者的关注.材料中的空位缺陷不仅影响材料的光电学特性,还影响材料的环境稳定性.相比于InSe材料中的其他相, δ-InSe具有更优异的材料性能,然而关于对该材料环境稳定性影响的研究未见报道.本文基于密度泛函理论,系统研究了O₂环境下二维δ-InSe材料的稳定性问题.结果表明:1)在O₂环境下,完美δ-InSe表面具有良好的惰性和稳定性, O₂分子在其表面从物理吸附到解离吸附需要克服1.827 eV的势垒; 2) Se空位(V_Se)的存在则会促进δ-InSe的氧化反应,被氧化的过程仅需克服0.044 eV的势垒,说明V_Se的存在使δ-InSe在O₂环境下的稳定性显著下降,此外被O₂分子氧化的δ-InSe单层有利于H₂O分子的解离吸附; 3)含有In空位(V_In)的δ-InSe被氧化的速率较慢, O₂     

Effect of triangular vacancy defect on thermal conductivity and thermal rectification in graphene nanoribbons

We investigate the thermal transport properties of armchair graphene nanoribbons (AGNRs) possessing various sizes of triangular vacancy defect within a temperature range of 200–600 K by using classical molecular dynamics simulation. The results show that the thermal conductivities of the graphene nanoribbons decrease with increasing sizes of triangular vacancy defects in both directions across the whole temperature range tested, and the presence of the defect can decrease the thermal conductivity by more than 40% as the number of removed cluster atoms is increased to 25 (1.56% for vacancy concentration) owing to the effect of phonon–defect scattering. In the meantime, we find the thermal conductivity of defective graphene nanoribbons is insensitive to the temperature change at higher vacancy concentrations. Furthermore, the dependence of temperatures and various sizes of triangular vacancy defect for the thermal rectification ration are also detected. This work implies a possible route to achieve thermal rectifier for 2D materials by defect engineering.     

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     

含孔缺陷石墨烯纳米条带的电学特性研究

本文系统地研究了不同形状(三方、四方及六方) 的孔缺陷对锯齿形石墨烯纳米条带电学特性的影响. 结果表明: 孔缺陷形状对于石墨烯纳米条带的电导及电流特性影响显著, 其可能源于不同形状的孔缺陷边界对于电子散射的不同; 另外, 当缺陷悬挂吸附氢或氮原子, 将引起孔缺陷形状改变, 因此不同孔缺陷吸附对于石墨烯纳米条带的电学特性的影响也各不相同. 本研究将为石墨烯基电子器件失效分析及石墨烯孔结构器件设计提供有价值的理论指导. 关键词： 石墨烯 孔缺陷 电学特性     

基于分子动力学的石墨炔纳米带空位缺陷的导热特性

空位缺陷石墨炔比完整石墨炔更贴近实际材料,而空位缺陷的多样性可导致更丰富的导热特性,因此模拟各种空位缺陷对热导率的影响显得尤为重要.采用非平衡分子动力学方法,通过在纳米带长度方向上施加周期性边界条件,基于AIREBO(adaptive intermolecular reactive empirical bond order)势函数描述碳-碳原子间的相互作用,模拟了300 K时单层石墨炔纳米带乙炔链上单空位缺陷和双空位缺陷以及苯环上单空位缺陷对其热导率的影响,利用Fourier定律计算热导率.模拟结果表明,对于几十纳米尺度范围内的石墨炔纳米带热导率,1)由于声子的散射集中和声子倒逆过程增强,与完美无缺陷的石墨炔纳米带相比,空位缺陷会导致石墨炔纳米带热导率的下降;2)由于声子态密度匹配程度高低的不同,相比于乙炔链上的空位缺陷,苯环的空位缺陷对石墨炔纳米带热导率影响更大,乙炔链上空位缺陷数量对石墨炔纳米带热导率的影响明显;3)由于尺寸效应问题,随着长度增加,石墨炔纳米带热导率会相应增大.本文的研究可为在一定尺度下进行石墨炔纳米带热导率的调控问题提供参考.     

Lattice vibration and thermodynamical properties of a single-layer graphene in the presence of vacancy defects

The phonon density of states(PDOS) and the thermodynamical properties including the heat capacity, the free energy,and the entropy of a single-layer graphene with vacancy defects have been studied theoretically. We first analytically derive the general formula of the lattice vibration frequency, and then numerically discuss the effect of the defects on the PDOS. Our results suggest that the vacancy defects will induce the sawtooth-like oscillation of the PDOS and the specific oscillation patterns depend on the concentration and the spatial distribution of the vacancies. In addition, it is verified that the vacancy defects will cause the increase of the heat capacity because of the vacancy-induced low-frequency resonant peak. Moreover, the influences of the vacancies on the free energy and the entropy are investigated.     

Effect of vacancy charge state on positron annihilation in silicon

The charge-state-dependent lattice relaxation of mono-vacancy in silicon is studied using the first-principles pseu- dopotential plane-wave method. We observe that the structural relaxation for the first-neighbor atoms of the mono-vacancy is strongly dependent on its charge state. The difference in total electron density between with and without charge states in mono-vacancy and its relevant change due to the localized positron are also examined by means of first-principles simu- lation, demonstrating the strong interplay between positron and electron. Our calculations reveal that the positron lifetime decreases with absolute charge value increasing.     

Significant photoelectrical response of epitaxial graphene grown on Si-terminated 6H-SiC

Photoelectrical response characteristics of epitaxial graphene (EG) films on Si- and C-terminated 6H-SiC, and transferred chemical vapor deposition (CVD) graphene films on Si-terminated 6H-SiC have been investigated. The results show that upon illumination by a xenon lamp, the photocurrent of EG grown on Si-terminated SiC significantly increases by 147.6%, while the photocurrents of EG grown on C-terminated SiC, and transferred CVD graphene on Si-terminated SiC slightly decrease by 0.5% and 2.7%, respectively. The interfacial buffer layer between EG and Si-terminated 6H-SiC is responsible for the significant photoelectrical response of EG. Its strong photoelectrical response makes it promising for optoelectronic applications.     

准粒子谱函数对单层石墨片最小电导率的影响

在有效质量近似下,利用久保(Kubo)公式计算了单层石墨片的最小电导率.结果发现最小电导率的大小依赖于准粒子谱函数的函数形式：如果准粒子谱函数取洛伦兹分布,得到最小电导率为4e²/πh;如果准粒子谱函数满足高斯分布,则最小电导率为2e²/h. 关键词： 单层石墨片 最小电导率 久保公式     

Si面4H-SiC衬底上外延石墨烯近平衡态制备

SiC热解法是制备大面积、高质量石墨烯的理想选择之一.外延石墨烯的晶体质量仍是制约其应用的关键因素之一.本文通过SiC热解法在4H-SiC(0001)衬底上制备单层外延石墨烯.通过引入氩气惰性气氛和硅蒸气,使SiC衬底表面的Si原子升华与返回概率接近平衡,外延石墨烯生长速率大大减慢,单层石墨烯的生长时间从15 min延长至75 min.测试分析表明,生长速率减慢,外延石墨烯中缺陷减少,晶体质量提高,使得外延石墨烯的电性能都得到改善,单层外延石墨烯的最高载流子迁移率达到1200 cm2/V·s,方阻604?/.以上结果表明,控制生长气氛,减慢生长速率是实现高质量外延石墨烯的可行途径之一.