石墨烯纳米带结构和特性的第一性原理研究
摘要：本文采用基于密度泛涵理论的第一原理，对含有硼氮原子的取代掺杂，空位和掺杂复合缺陷的石墨烯纳米带的电子结构和光学性能进行了系统的研究。获得了一些有意义的结论，这对于本文还研究了复合缺陷石墨烯纳米带的电子结构和光学性能，计算发现单个空位的引入使得石墨烯纳米带的几何结构发生了很大的变化，有两个最边缘的碳原子脱离了原来的二维平面。复合缺陷使得石墨烯纳米带的电子结构发生了很大的变化，同时石墨烯纳米带的电荷密度在缺陷的地方有较大的变化，远离缺陷处没有明显的变化，复合缺陷特别是空位和硼氮共掺结构处时，在低能的地方就会出现一条杂质吸收峰。利用掺杂来调制石墨纳米带的性能是一个很有应用价值的办法，为此进一步深入和广泛的研究石墨烯纳米带的掺杂性能及器件的研制是非常重要的课题。
关键词：石墨烯纳米带；电学性能；光学性能
First principles study on the structure and properties of graphene
Abstract: in this paper, based on the first principles density functional theory of containing boron and nitrogen atoms substitution and doping, electronic structure and optical properties of vacancies and doped composite defects of graphene nanoribbons were systematically. Some meaningful conclusions are obtained, which in this paper also studied the composite defects of graphene nano band electronic structure and optical properties, calculation, it is found that the single vacancy is introduced to make the geometric structure of graphene nanoribbons great changes have taken place, two of the most edge carbon atoms to leave the original two-dimensional plane. Composite defects makes the electronic structure of graphene nanoribbons great changes have taken place, and graphene nanoribbons charge density in the defect place a greater change, away from the defect region has no obvious change, composite defects especially vacancies and boron nitrogen Co doped structure. In low energy, where it will appear a impurity peaks. Modulation of graphene nanoribbons performance by impurity doping is a very application value, for further in-depth and extensive research graphite graphene nanocomposites with doping properties and device development is a very important issue.
Keywords: graphene ribbons; electrical properties; optical properties
目录
第一章 绪论 5
1.1课题研究背景及意义 5
1.2课题研究现状 6
第二章 石墨纳米带介绍 7
2.1石墨烯纳米带的结构 7
2.2石墨烯的晶格和能带结构 8
第三章 石墨纳米带的性质 11
3.1电学性质 11
3.2磁学性质 11
第四章 石墨烯纳米带的应用前景 13
第五章 石墨烯纳米带结构第一性原理 14
5.1 第一性原理 14
5.1.1 非相对论近似 14
5.1.2 Born-Oppenheimer近似 14
5.1.3 单粒子近似 15
5.2 多粒子体系的第一性原理分析 17
第六章 N掺杂对Zigzag型石墨烯纳米带的能带结构和运输性质的影响 18
6.1 N掺杂z-GNRs的能带结构与性质 18
6.2 N掺杂z-GNRs的运输性质 18
6.3 结 论 20
第七章 扶手椅型纳米带的电子结构和性质的研究 22
7.1 结果与分析 22
7.2 结 论 27
第八章 边缘空位缺陷对石墨烯纳米带电子结构的影响 28
8.1边缘空位缺陷对扶手椅型石墨烯纳米带电子结构的影响 28
8.2边缘空位缺陷对锯齿型石墨烯纳米带电子结构的影响 29
第九章 结论 31
致谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1课题研究背景及意义
20世界以来，各种碳基纳米材料都有其独特的结构性能和广泛的应用前景引起了研究们的高度关注。零维富勒烯、一维碳纳米管和二维石墨烯，这些材料的相继出现大大的促进了化学，物理，材料科学及其它相关科学的发展，其中石墨烯是近年来研究最热的一种新兴材料，2010年度诺贝尔物理学奖授予了石墨烯的发现者。因此，它激发了石墨烯的研究者的兴趣，它很快就成为纳米材料科学中亮点，因为石墨烯是碳原子在二维六角形蜂窝网络结构中的单层，层内每个碳原子分别与相邻的三个碳原子杂化轨道相互交盖形成σ键连接：剩下一个未参与杂化的p，轨道垂直于石墨烯平面，其上未成键的π电子受原子核束缚较小，可以在石墨烯平面上移动，类似于狄拉克费米子，石墨烯是理想的单一的二维无限，但实际上为了维持稳定，这种二维大平面结构很容易产生褶皱，起伏等结构缺陷，从而影响其在诸多领域的潜在应用，为此，近年来研究人员对石墨烯的掺杂进行了改进。石墨烯不同的形态的衍生物等方面进行了大量的研究，并取得了一系列的成果。
石墨碳纳米带特殊的约束效应与石墨烯更灵活可调的性能和更大的实用价值，例如，石墨烯具有很高的载流子迁移率，成新的场效应晶体管的开关频率在室温下可以达到107HZ，是普通的硅晶体管的1000倍，但由于石墨烯不存在带隙，因此，不能直接应用于开放式石墨烯带隙和保证载流子迁移率不降,最好的方法就是将石墨烯裁减成宽度较小的石墨烯纳米带，由于量子限域效应晶体管上的应用。可见石墨烯是一种新型的碳基纳米材料，具有很大的潜力。
石墨烯是一种单层的杂化轨道组成六个角型材料的碳原子，所以它的厚度只有碳原子厚，是区别于碳纳米管和碳60的二维材料。早在1947岁的菲利普.华勒斯开始研究石墨烯的电子结构，物理学家安德烈.海姆和康斯坦丁。最后以石墨为原料，通过微机械力剥离方法得到一系列新的材料称为二维原子晶体。石墨烯被称为世界上最薄、强度最高、硬度最高、几乎完全透明的晶体材料。拉伸强度和弹性模量分别为130GPa，1.0TPa，是理想状态的强度大约100倍。普通钢它只吸收2.3%的光，可它在室温下的导热系数高达5300W/（m.k），与碳纳米管的导热系数上限5800w/（m.k)相当，石墨烯的化学结构其具有垂直于晶面方向的大π键，这是具有良好的电化学性能的根本原因。在室温下，电子迁移率超过15000平方厘米，高于碳纳米管和硅晶体,低于铜和银，是世界上最小的电阻材料。
由于石墨烯具有完全开放的双表面结构特性，它类似于不饱和有机分子作为一系列有机反应，而聚合物或无机物质具有其机械和导电性和导热性，可通过功能性的石墨烯修饰使其化学活性更丰富。石墨烯的结构，也使得更多的研究人员青睐与石墨烯复合材料的研究，以提高锂电池或超级电容器电极材料等性能。
1.2课题研究现状
石墨烯产业仍处于探索阶段，尚未找到一个成熟的方法，高质量的石溪批量生产性能。目前，石墨烯的还原方法相对容易大规模生产，它是石墨烯生产的主要制备工艺。但通过氧化还原法，使石墨烯的分子结构受损，并降低了石墨烯的性能；此外，石墨烯氧化还原法在石墨烯中的氧化还原法极易聚集，这使得该产品的性能和理论价值有很大的差距。
石墨烯具有相对较成熟的制备方法是气相沉淀。但仍有许多技术问题没有解决，如：采用气相沉积法制备石墨烯相对机械剥离法是很难运输的；有的采用气相沉积法获得石墨烯的性能（量子霍尔效应）并没有在气相沉淀积法制备的石墨烯中发现，说明气相沉淀法可能会影响石墨的特点，石墨烯只能用和气相沉淀法得到的产品平方厘米量级，很难满足石墨烯的工业应用。
石墨烯没有工业生产的条件，国家正在为石墨烯的制备积极探索，也不断有新的制备方法。
石墨烯产业是最大的“瓶颈”就是还没有形成完整的产业链，也没有一个应用可以大规模生产的石墨烯产品。对石墨烯的需求量最大的仍然是科研院所和科研机构所用。
石墨烯的高强度、导电性和传热、大面积比表面积等性能在航空航天工业、锂离子电池、超级电容器等领域具有潜在的应用前景，但由于其成本高，一直处于研究阶段。从技术发展的角度看，最有可能实现产业化的下游产业，利用石墨烯是涂层基体可以大大提高产品的性能，如强度，韧性，导电性和传热，符合工业应用领域的材料在应用领域目前的石墨烯。
参考文献
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http://www.bysj360.com/cat.asp?id=27
http://www.bysj360.com/cat.asp?id=28
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