双层转角石墨烯的结构和电学性质

石墨烯是第一个被发现的层状二维材料,它的电学性质对层数和层间的堆垛方式有很强的 依赖性。而层间的转角可以被看作是调控石墨烯电学性质的又一个可控的自由度。本文主要综述 双层转角石墨烯的基本结构与性质,重点讲述转角对双层石墨烯电学性质的影响。我们将从理论 与实验结合的角度出发,介绍双层转角石墨烯中Dirac 费米子的新奇物理特性,重点阐述如何通 过转角来调控石墨烯的电学性质。最后我们对双层转角石墨烯的研究现状进行总结和展望。     

N/B掺杂石墨烯的光学与电学性质

石墨烯因其独特的化学成键结构而拥有出色的化学、热学、机械、电学、光学特性.由于石墨烯为零带隙材料,限制了其在纳电子学领域的发展.因此,为了拓宽石墨烯的应用范围,研究打开石墨烯带隙的方法显得尤为重要.本文构建了本征石墨烯、N掺杂石墨烯、B掺杂石墨烯三种模型,研究了本征石墨烯和不同掺杂浓度下的N/B掺杂石墨烯的能带结构、电子态密度及光学与电学性质,包括吸收谱、反射谱、折射率、电导率和介电函数等.研究结果显示:1)本征石墨烯费米能级附近的电子态主要是由C-2p轨道形成,而N/B掺杂石墨烯费米能级附近的电子态主要是由C-2p和N-2p/B-2p轨道杂化形成;2)N/B掺杂可以引起石墨烯费米能级、光学与电学性质的改变,且使狄拉克锥消失,进而打开石墨烯带隙;3)N/B掺杂可以引起石墨烯光学和电学性质的变化,且对吸收谱、反射谱、折射率、介电函数影响较大,而对电导率影响较小.本文的结论可为石墨烯在光电子器件中的应用提供理论依据.     

N掺杂对zigzag型石墨烯纳米带的能带结构和输运性质的影响

用第一性原理研究了N掺杂zigzag型石墨烯纳米带(z-GNRs)的能带结构、透射谱和电流电压特性,研究结果表明N掺杂将使得z-GNRs的能带结构中出现能隙,材料从金属转变为半导体;随着杂质浓度的增大,相同偏压下电流明显减小,同时体系费米面附近的透射率逐渐减小;z-GNRs的长度、宽度以及N原子的替代掺杂位置均会对输运性质产生影响,在宽度较小的情况下,掺杂浓度和掺杂位置两种因素共同影响体系的输运性质. 关键词： 石墨烯纳米带 N掺杂 能带结构 输运性质     

石墨烯中新奇量子物态的研究

石墨烯特殊的晶格结构和能带结构赋予了它独特的电学性质. 近年来, 分数量子霍尔态、 魔角石墨烯中的 关联绝缘体态和超导态等现象的发现不断证明着石墨烯是一种理想的二维模型体系, 可用于实现一系列新奇的量子物态, 对石墨烯中新奇量子物态的探测和调控也一直是凝聚态物理领域的前沿研究热点之一. 本文将系统地介绍近年来石墨烯中对称性破缺量子物态的研究进展, 包括平带中强关联量子物态的研究以及谷赝自旋调控的研究, 并介绍一种在纳米尺度、 单电子精度上探测二维材料体系简并度及对称性破缺态的普适方法, 希望为相关领域的研究人员提供参考和借鉴.     

β石墨炔衍生物结构稳定性及电子结构的密度泛函理论研究

石墨炔衍生物比石墨烯具有更多样化的原子结构,因而具有潜在的更丰富的电子结构.通过第一性原理密度泛函理论研究方法系统研究了β石墨炔衍生物的结构稳定性、原子构型和电子结构.本文计算的β石墨炔衍生物系列体系由六边形碳环(各边原子数N=1—10)通过顶点相连而成.对结构与能量的计算分析表明:当N为偶数时,β石墨炔拥有单、三键交替的C—C键结构,其能量比N为奇数时,拥有连续C=C双键的石墨炔衍生物更稳定.计算的能带结构和态密度显示:根据碳环各边原子个数N的奇偶性不同,β石墨炔可呈现金属性(N为奇数时)或半导体特性(N为偶数时).该奇偶依赖的原子构型和电学性质是由Jahn-Teller畸变效应导致,与碳环各边原子碳链的实际长度无关.计算发现部分半导体β石墨炔(N=2,6,10)呈现狄拉克锥能带特征,其带隙约10 meV,且具有0.255×10~6—0.414×10~6m/s的高电子速度,约为石墨烯电子速度的30%—50%.本密度泛函理论研究表明,将sp杂化碳原子引入石墨烯六边形碳环的边上,可通过控制六边形各边原子个数的奇偶性调制其金属和半导体电子特性或狄拉克锥的形成,为免掺杂和缺陷调控纳米碳材料的电学性质和设计碳基纳米电子器件提供了理论依据.     

质子辅助生长超平整石墨烯薄膜

正石墨烯(graphene),碳原子组成的二维蜂窝状结构,是构成其他碳材料的基本单元,可以蜷曲成零维的富勒烯,弯曲成一维的碳纳米管,以及堆垛成三维的石墨~([1])。石墨烯有着独特的晶体结构和能带结构,有着区别于块体的多种特异物性,包括了力、热、光、电学等性能,有望在多种领域取得颠覆性的应用。正因为如此,石墨烯一经发现,便迅速成为物理、     

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.     

超高真空条件下分子束外延生长的单层二维原子晶体材料的研究进展

二维原子晶体材料具有与石墨烯相似的晶格结构和物理性质,为纳米尺度器件的科学研究提供了广阔的平台.研究这些二维原子晶体材料,一方面有望弥补石墨烯零能隙的不足;另一方面继续发掘它们的特殊性质,有望拓宽二维原子晶体材料的应用领域.本文综述了近几年在超高真空条件下利用分子束外延生长技术制备的各种类石墨烯单层二维原子晶体材料,其中包括单元素二维原子晶体材料(硅烯、锗烯、锡烯、硼烯、铪烯、磷烯、锑烯、铋烯)和双元素二维原子晶体材料(六方氮化硼、过渡金属二硫化物、硒化铜、碲化银等).通过扫描隧道显微镜、低能电子衍射等实验手段并结合第一性原理计算,对二维原子晶体材料的原子结构、能带结构、电学特性等方面进行了介绍.这些二维原子晶体材料所展现出的优异的物理特性,使其在未来电学器件方面具有广阔的应用前景.最后总结了单层二维原子晶体材料领域可能面临的问题,同时对二维原子晶体材料的研究方向进行了展望.     

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     

氧化石墨烯纳米剪裁方法

石墨烯纳米剪裁先进方法的研究对于基于石墨烯的电子和光学设备非常重要。本文利用模板法制作反蛋白石结构,并借助反蛋白石纳米网结构,利用光催化还原氧化石墨烯,对氧化石墨烯进行纳米剪裁,形成具有纳米尺度的石墨烯。对还原后的氧化石墨烯表面进行扫描电子显微镜表征和红外光谱表征,并研究剪裁后石墨烯的电学性质。实验表明,反应时间、胶粒大小都会对剪裁后氧化石墨烯的周期和颈宽有影响,进而影响还原后氧化石墨烯的电学性质。利用纳米网状结构对石墨烯进行纳米剪裁是一种可行的方法,通过控制模板尺寸和反应条件可以控制裁剪后的性质。     

金属有机框架材料力学、电学及其应变调控特性的第一原理研究

本文利用基于密度泛函理论的第一原理方法研究了典型金属有机框架材料——MOF-5的力学、电学性质及其应变调控特性.通过对MOF-5材料施加不同类型的应变,系统地研究了MOF-5材料的力学特性,获得了MOF-5的弹性常数、杨氏模量等基本力学参数.另一方面,通过分析能带结构等特征得到了MOF-5的本征电学特性,计算得到的MOF-5的禁带带宽为3.49 eV,属于宽禁带半导体.对MOF-5电学性质的应变调控特性研究发现,外界应变会显著降低MOF-5的禁带带宽,提高其导电性.通过进一步分析其电子态密度、共价键键长等的变化,发现外界应变会引起MOF-5有机配体中共价键强度的降低,继而导致材料禁带带宽的减小.研究从理论上定量揭示了外部应变对MOF-5电学性质的调控行为,为基于MOF-5的气氛传感器优化设计和性能评估等提供了重要的理论依据.     

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.     

石墨烯莫尔超晶格的晶格弛豫与衬底效应

当两个晶格常数不同或具有相对转角的二维材料叠加在一起时,可形成莫尔超晶格结构,其电学性质对层间堆垛方式、旋转角度和衬底具有很强的依赖性.例如,双层石墨烯的旋转角度减小到一系列特定的值(魔角)时,体系的费米面附近出现平带,电子-电子相互作用显著增强,出现莫特绝缘体和非常规超导量子物态.对于具有长周期性的莫尔超晶格体系,层间相互作用所引起的晶格弛豫会使原子偏离其平衡位置而发生重构.本文主要围绕晶格自发弛豫和衬底对石墨烯莫尔超晶格物性的影响展开综述.从理论和实验的角度出发,阐述旋转双层石墨烯、旋转三层石墨烯、以及石墨烯与六方氮化硼堆垛异质结等体系中自发弛豫对其能带结构和物理性质的影响.最后,对二维莫尔超晶格体系的研究现状进行总结和展望.     

石墨烯射频器件研究进展

石墨烯因具有优良的电学特性,在半导体行业中受到广泛关注,特别因其具有超薄的结构和极高的载流子迁移率,为解决短沟道效应提供了可能,并且在高速电子领域具有应用前景.近年来,使用石墨烯作为沟道材料制备射频晶体管及射频电路是发挥石墨烯材料优势的一个重要研究方向.制造高性能的射频器件,首先要制备出高性能的石墨烯材料.在金属衬底上沉积均匀的单层石墨烯材料或者在绝缘衬底上外延生长单层、双层石墨烯材料都是获得高质量石墨烯材料的常用方法.器件结构及工艺流程的设计也是提升晶体管射频性能的重要因素,多指栅结构、T型栅结构、埋栅结构以及自对准工艺的发展能够有效改善石墨烯射频晶体管的截止频率及最大振荡频率.石墨烯晶体管独特的电学特性使得其除了可以构造与其他半导体材料电路相似的射频电路结构,还可以构造出功能完整并且结构更加简单的新型射频电路结构.     

不同N掺杂构型石墨烯的量子电容研究

超级电容器是一种利用界面双电层储能或在电极材料表面及近表面发生快速可逆氧化还原反应而储能的装置, 其特点是功率密度高、循环寿命长. 制备出兼有高能量密度的电极材料是当前超级电容器研究的重点. 以提高电容储能为目标, 通过掺杂N原子来调制石墨烯的电子结构, 使用基于密度泛函理论的第一原理计算了不同N掺杂构型石墨烯的态密度和能带结构, 拟合出了石墨烯的量子电容, 分析了量子电容储能提升的原因.     

一种新型Si/SiGe/Si双异质结PIN电学调制结构的异质结能带分析

PIN结构是电光调制器中常见的一种电学调制结构, 该结构中载流子注入效率直接影响着电光调制器的性能. 在前期的研究中, 我们在SOI材料的基础上提出了一种新型Si/SiGe/Si双异质结PIN电学调制结构, 可以有效提高载流子注入效率, 降低调制功耗. 为了进一步研究这种新型调制器结构的调制机理, 本文从单异质结能带理论出发, 定量分析了该新型结构中双异质结的势垒高度变化, 给出了双异质结势垒高度的定量公式, 将新型结构与SiGe-OI和SOI两种PIN电学调制结构进行能带对比, 分析了该新型结构载流子注入增强的原因, 最后模拟了新型结构的能带分布, 以及能带和调制电压与注入载流子密度的关系, 并与SiGe-OI和SOI两种PIN电学调制结构进行对比发现, 1 V调制电压下, 新型结构的载流子密度达到了8× 10¹⁸cm^-3, 比SOI 结构的载流子密度高了800%, 比SiGe-OI结构的载流子密度高了340%, 进一步说明了该新型结构的优越性, 并且验证了理论分析的正确性.     

石墨烯应用于GaN基材料的研究进展

石墨烯具有优异的光学、电学、机械等特性,被视为新型材料的突破口;GaN基材料具有直接宽禁带、热稳定性强、高功率等性质,已经成为"继硅之后最重要的半导体材料"。将石墨烯与GaN基宽禁带半导体材料相结合,发挥两种材料体系的优势,将为光电子、微电子器件的发展带来新的契机。关于石墨烯与GaN基材料相结合的研究目前已经有所突破,本文简要概述了近年来石墨烯与GaN基材料接触机理方面和石墨烯应用于GaN基材料器件方面的进展状态。     

Bloch定理在单层石墨烯多势阱结构体系中的应用

石墨烯材料中观测到Klein隧穿效应,也因其特殊的光学、电学等特性而被广泛研究.本文设计了等高的多势垒体系来分析载流子的隧穿效应.由Bloch定理得到周期性势垒结构中的能带结构,分析载流子的状态和共振隧穿区.数值研究结果表明,通过调制势垒、势阱宽度、势垒高度、以及载流子入射能量等参数来获得所需的隧穿概率,并可进一步分析电导特性.     

门电压控制的硅烯量子线中电子输运性质

硅烯是由单层硅原子形成的二维蜂窝状晶格结构,具有石墨烯类似的电学性质,由于硅烯中存在比较强的自旋轨道耦合而备受关注.本文利用非平衡格林函数方法研究了门电压控制的硅烯量子线中电子输运性质和能带结构.研究发现,只有在较强的门电压下,而且硅烯量子线具有较好的锯齿形或扶手椅形边界而不存在额外硅原子时,硅烯量子线中才存在无能隙的自旋极化边缘态.另外,计算结果表明这种门电压控制的硅烯量子线中边缘态在每个能谷处自旋是极化的.这些计算结果将为实验上利用电场制作硅烯纳米结构提供理论支持.     

基于石墨烯的可调谐太赫兹光子晶体结构

本文将石墨烯引入到常规光子晶体中构建一种新型光子晶体, 首次从理论上严格导出了决定其能带结构的色散关系, 由于色散关系中石墨烯电导率的存在导致了它具有与常规光子晶体有所不同的特殊光学性质, 我们发现, 随着费米能增大, 低频段能带迅速向高频移动, 而高频段能带移动缓慢, 导致了常规光子晶体没有的能带压缩现象的发生, 究其原因在于石墨烯在低频段电导率迅速变化, 而高频段电导率变化缓慢, 导致能带向高频压缩, 使得光波原先允许频率变成禁止传播, 而禁止频率变成允许传播.