B/N掺杂对双层石墨烯电子特性影响的第一性原理研究

利用平面波超软赝势方法研究了B/N原子单掺杂和共掺杂对双层石墨烯电子特性的影响.对掺杂双层石墨烯进行结构优化,并计算了能带结构、态密度、分波态密度等.分析表明,层间范德瓦尔斯相互作用对双层石墨烯的电子特性有比较明显的影响;B/N原子单掺杂分别对应p型和n型掺杂,会使掺杂片层的能带平移,使得体系能带结构产生较大分裂;双层掺杂的石墨烯能带结构与掺杂原子的相对位置和距离有关,对电子特性有明显的调控作用.其中特别有意义的是,B/N双层共掺杂在不同位置情况下会得到金属性或禁带宽度约为0.3 eV的半导体能带.     

二价金属元素掺杂对LiCoO2体系电子输运性质的影响

为了解释Ca掺杂与Mg掺杂在影响锂离子二次电池正极材料LiCoO2体系电子输运性质方面的不同效应,采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了该体系的电子结构.计算结果表明,虽然在LiCoO2体系中用Ca或Mg替代Co都会在费米能级附近产生部分占据的受主带,但两者对应的电子态都具有明显的局域化特征;此外,与Mg掺杂体系明显不同的是,Ca掺杂体系的受主带与价带之间存在清晰的带隙.这一带隙的存在正是Ca掺杂不能明显提高LiCoO2体系电导率的主要原因.此外,Ca2+与Mg2+离子半径的较大差别也是造成这两个掺杂体系的电导率存在明显差异的一个重要因素.     

掺杂石墨烯吸附特性的第一性原理研究

利用第一性原理方法研究了一氧化碳分子在本征和硼、氮、铝、磷掺杂的有限尺寸石墨烯上的吸附机理.结果表明,石墨烯作为一氧化碳传感器时的性能依赖于掺杂元素.本征、硼和氮掺杂石墨烯吸附一氧化碳时的吸附能较低,为物理吸附.铝、磷掺杂石墨烯的吸附能显著提高,比本征、硼和氮掺杂时高出约一个数量级,且铝和磷原子从石墨烯中突出,使其发生局部弯曲.铝掺杂石墨烯增强了石墨烯与一氧化碳分子之间的相互作用,可以提高石墨烯的气敏性和吸附能力,是一氧化碳传感器的最佳候选材料之一.     

双空位掺杂氟化石墨烯的电子性质和磁性

基于密度泛函理论,计算了外来原子X(Al,P,Ga,As,Si)双空位替代掺杂氟化石墨烯的电子特性和磁性.通过对计算结果分析发现,与石墨烯的双空位掺杂类似,氟化石墨烯的双空位掺杂也是一种较为理想的掺杂方式.通过不同原子掺杂,氟化石墨烯的电子性质与磁性均发生很大变化:Al和Ga掺杂使氟化石墨烯由半导体变为金属,并且具有磁性;P和A8掺杂使氟化石墨烯变为自旋半导体;Si掺杂氟化石墨烯仍是半导体,只改变带隙且没有磁性.进一步讨论磁性产生机制获得了掺杂原子浓度与磁性的关系,并且发现不同掺杂情况的磁性是由不同原子的不同轨道电子引起的.双空位掺杂不仅丰富了氟化石墨烯的掺杂方式,其不同电磁特性也使此类掺杂结构在未来的电子器件中具有潜在应用.     

界面铁掺杂锯齿形石墨烯纳米带的自旋输运性能

基于密度泛函理论第一原理系统研究了界面铁掺杂锯齿(zigzag)形石墨烯纳米带的自旋输运性能, 首先考虑了宽度为4的锯齿(zigzag)形石墨烯纳米带, 构件了4个纳米器件模型, 对应于中心散射区的长度分别为N=4, 6, 8和10个石墨烯单胞的长度, 铁掺杂在中心区和电极的界面. 发现在铁磁(FM)态, 四个器件的β自旋的电流远大于α自旋的电流, 产生了自旋过滤现象; 而界面铁掺杂的反铁磁态模型, 两种电流自旋都很小, 无法产生自旋过滤现象; 进一步考虑电极的反自旋构型, 器件电流显示出明显的自旋过滤效应. 探讨了带宽分别为5和6的纳米器件的自旋输运性能, 中心散射区的长度为N=6个石墨烯单胞的长度, FM 态下器件两种自旋方向的电流值也存在较大的差异, β自旋的电流远大于α自旋电流. 这些结果表明: 界面铁掺杂能有效调控锯齿形石墨烯纳米带的自旋电子, 对于设计和发展高极化自旋过滤器件有重要意义.     

石墨烯纳米片电子结构和量子输运特性第一原理研究

用基于密度泛函理论的原子紧束缚方法计算研究单层石墨烯纳米圆片和纳米带的电子结构,并结合第一原理和非平衡函数法计算量子输运特性.通过电子能态和轨道密度分布研究纳米碳原子层的电子成键状态,结合电子透射谱、电导和电子势分布分析电子散射与输运机制.石墨烯纳米带和纳米圆片分别呈现金属和半导体的能带特征,片层边缘上电极化分别沿垂直和切向方向,电子电导出现较大的差异,来源于石墨烯纳米圆片边缘的突出碳原子环对电子的强散射.石墨烯纳米带的电子透射谱表现为近似台阶式变化并在费米能级处存在弹道电导峰,而石墨烯纳米圆片的电子能带和透射谱在费米能级处开口并且因量子限制作用呈现更加离散的多条高态密度窄能带和尖锐谱峰.     

石墨烯纳米带电极区N掺杂电子输运性质研究

运用密度泛函理论和非平衡格林函数结合的方法,研究电极区N掺杂对扶手椅型石墨烯纳米带电子输运特性的影响.结果表明,与本征扶手椅型石墨烯纳米带电流-电压曲线相比,宽度为7的石墨烯纳米带电流-电压曲线表现出明显的不对称性,其中心N掺杂表现强烈的整流特性,整流系数达到102数量级,且将N原子从电极区中心位置移动到边缘,整流特性减弱.研究结果表明宽度为7的扶手椅型石墨烯纳米带出现强整流现象的原因主要是负向偏压下能量窗内没有透射峰引起的,该研究结果对将来石墨烯整流器件的设计具有重要的意义.     

Ti-O共掺杂石墨烯的电子结构和光学性质的理论研究

本文利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不同掺杂浓度下Ti-O共掺杂石墨烯的电子结构和光学性质,并讨论了其内部的微观机制.研究结果表明:本征石墨烯是一种零带隙材料,狄拉克点在费米能级面上,其在紫外光区的光吸收强度较强.Ti-O共掺杂石墨烯可以很好的打开石墨烯的带隙和提高石墨烯的光催化强度,Ti18-O18@G模型费米能级附近的态密度主要由C-p轨道、Ti-d轨道和O-p轨道杂化而成.Ti18-O18@G模型在可见光区的吸收谱强度最大,主要归因于其内部晶格畸变、带隙被打开和杂质能带的出现,这些因素可以促进电子空穴对的产生和分离,从而使石墨烯在可见光区的光催化能力得到增强.本研究结果可为开发高催化活性的石墨烯提供理论依据.     

B80分子结电子输运的第一性原理研究

我们采用第一性原理方法研究了由单个和两个B80分子构成的分子结的电子输运性质。研究发现,单个B80分子是一个很好的导体,平衡电导为2.28G0（G0为电导量子,2e^2/h ）,而由两个B80分子构成的二聚体则是一个绝缘体,电导仅为0.062G0。进一步的研究发现,二聚体的导电性可以通过电子掺杂来显著提高,如通过在每一个B80分子中用C替换一个B,电导可以提高到0.26G0。     

B/N掺杂对于石墨烯纳米片电子输运的影响

选用锯齿(zigzag)型石墨烯纳米片为研究对象, Au作为电极, 分子平面与Au的(111)面垂直, 并通过末端S原子化学吸附于金属表面, 构成两种分子器件: 一种是在纳米片的边缘掺杂N(B)原子, 发现电流-电压具有非线性行为, 但是整流系数较小, 特别是掺杂较多时, 整流具有不稳定性; 另一种是用烷链把两个石墨烯片连接, 在烷链附近和石墨烯片的边缘进行N(B)掺杂, 发现在烷链附近掺杂具有较大的整流, 但是掺杂的原子个数和位置会影响整流性能. 研究表明: 整流主要为正负电压下分子能级的移动方向和空间轨道分布不同导致. 部分体系中的负微分电阻现象主要由于偏压导致能级移动和透射峰形态的改变, 并且在某些偏压下主要透射通道被抑制而引起. 关键词： 石墨烯纳米片 电子输运 整流行为 非平衡格林函数方法     

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.     

石墨烯和六方氮化硼纳米片的几何结构、电子结构、磁性及边缘特性研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法,计算了多种尺寸的石墨烯和六方氮化硼纳米片的性质,系统研究了其中的量子尺寸效应.研究的最大尺寸纳米片的直径约为5.5 nm,包含816个原子.对纳米片及其边缘的几何结构、电子结构、磁性性质以及电子分布进行了深入探讨,发现石墨烯和六方氮化硼纳米片最外层原子有由锯齿形向圆形变化的趋势,使得纳米片最外层更加平滑.随着纳米片尺寸的增加,能级由分立逐渐变得连续,纳米片由孤立分子态逐渐变得接近无限的晶体;禁带宽度总体有下降的趋势,符合量子尺寸效应.纳米片存在明显的磁性,磁矩主要集中在最外层原子上,且在相对平滑的地方容易出现磁性,相对弯曲的地方不易出现磁性.当增加体系的电子数时,增加的电子主要分布在最外层,使得纳米片整体磁性呈递减的趋势;当减少体系的电子数时,减少的电子的分布逐渐由最外层向内收缩,体系的总磁矩略有增加.研究结果对石墨烯和六方氮化硼纳米片的应用有参考价值.     

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.     

无序双层六角氮化硼量子薄膜的电子性质

基于安德森紧束缚模型,本文研究了无序双层六角氮化硼量子薄膜的电子性质. 数值计算结果表明在双层都无序掺杂的情况下,六角氮化硼量子薄膜的电子是局域的, 其表现为绝缘体性质;而对于单层掺杂(无论是氮原子还是硼原子)的双层六角氮化硼量子薄膜, 在能谱的带尾出现了持续的迁移率边.这就说明在单层掺杂的双层六角氮化硼量子薄膜中产生了 金属绝缘体转变.这一结果证实了有序-无序分区掺杂的理论模型,为理解及调控双层六角氮化硼量子薄膜 的电子性质提供了有益的理论指导.     

旋转双层石墨烯的电子结构

本文将第一性原理和紧束缚方法结合起来, 研究了层间不同旋转角度对双层石墨烯的电子能带结构和态密度的影响. 分析发现, 旋转双层石墨烯具有线性的电子能量色散关系, 但其费米速度随着旋转角度的减小而降低. 进一步研究其电子能带结构发现, 不同旋转角度的双层石墨烯在M点可能会出现大小不同的的带隙, 而这些能隙会增强双层石墨烯的拉曼模强度, 并由拉曼光谱实验所证实. 通过对比双层石墨烯的晶体结构和电子态密度, 发现M点处带隙来自于晶体结构中的“类AB堆垛区”. 关键词： 旋转双层石墨烯 第一性原理 紧束缚 电子结构     

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     

含Stone-Wales缺陷zigzag型石墨烯纳米带的电学和光学性能研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理对zigzag型石墨烯纳米带中含有不同Stone-Wales缺陷的电子结构特性和光学性能进行研究. 考虑了两种模型:不计电子自旋和考虑电子自旋的情况.研究发现:不计电子自旋情况下,含对称Stone-Wales缺陷的石墨烯纳米带在缺陷区域出现了凹凸不平的折皱构型,两种不同的Stone-Wales缺陷都引起了电荷的重新分布.考虑电子自旋时,Stone-Wales缺陷的引入对石墨烯纳米带自旋密度有显著影响,也引起了不同自旋的电子态密度的变化.进一步研究了纳米带的光学性能,发现 关键词： 石墨烯纳米带 Stone-Wales缺陷 电子结构 光学性能     

Electronic structure and optical property of boron doped semiconducting graphene nanoribbons

We present a system study on the electronic structure and optical property of boron doped semiconducting graphene nanoribbons using the density functional theory. Energy band structure, density of states, deformation density, Mulliken popular and optical spectra are considered to show the special electronic structure of boron doped semiconducting graphene nanoribbons. The C—B bond form is discussed in detail. From our analysis it is concluded that the Fermi energy of boron doped semiconducting graphene nano...     

Structures of Pt clusters on graphene doped with nitrogen, boron, and silicon: a theoretical study

The structures of Pt clusters on nitrogen-,boron-,silicon-doped graphenes are theoretically studied using densityfunctional theory.These dopants(nitrogen,boron and silicon) each do not induce a local curvature in the graphene and the doped graphenes all retain their planar form.The formation energy of the silicon-graphene system is lower than those of the nitrogen-,boron-doped graphenes,indicating that the silicon atom is easier to incorporate into the graphene.All the substitutional impurities enhance the interaction between the Pt atom and the graphene.The adsorption energy of a Pt adsorbed on the silicon-doped graphene is much higher than those on the nitrogen-and boron-doped graphenes.The doped silicon atom can provide more charges to enhance the Pt-graphene interaction and the formation of Pt clusters each with a large size.The stable structures of Pt clusters on the doped-graphenes are dimeric,triangle and tetrahedron with the increase of the Pt coverage.Of all the studied structures,the tetrahedron is the most stable cluster which has the least influence on the planar surface of doped-graphene.     

A quantum explanation of the magnetic properties of Mn-doped graphene

Mn-doped graphene is investigated using first-principles calculations based on the density functional theory(DFT).The magnetic moment is calculated for systems of various sizes,and the atomic populations and the density of states(DOS)are analyzed in detail.It is found that Mn doped graphene-based diluted magnetic semiconductors(DMS)have strong ferromagnetic properties,the impurity concentration influences the value of the magnetic moment,and the magnetic moment of the 8×8 supercell is greatest for a single impurity.The graphene containing two Mn atoms together is more stable in the 7×7 supercell.The analysis of the total DOS and partial density of states(PDOS)indicates that the magnetic properties of doped graphene originate from the p–d exchange,and the magnetism is given a simple quantum explanation using the Ruderman–Kittel–Kasuya–Yosida(RKKY)exchange theory.