石墨烯納米帶電子結構與物性應力調控研究

項目摘要

石墨烯納米帶是繼碳納米管後倍受關注的新型準一維體系,人們已採用摻雜、邊緣原子修飾及外場等方法研究了其微結構與物性的調控,本項目研究(拉伸)應力新方法調控中的一些基本物理問題。擬採用緊束縛近似配合基於密度泛函的第一原理計算相互驗證,研究條帶受均勻應力作用下電子能帶結構及帶隙大小相對於無應力情形的變化規律;用非平衡格林函式與散射矩陣方法和半導體帶間躍遷理論,分別研究條帶受均應力作用下的載流子輸運性質和光學特性。從理想完整條帶受均勻應力作用的簡單情形出發,逐步過渡到分別考慮邊緣吸附H原子、存在少數C原子空位、多體相互作用和自旋軌道耦合的複雜情形。探索石墨烯納米條帶應力作用下晶格彈性形變、電子結構與量子輸運性質和光學特性之間的相互定量系,相關研究可能展現一些納米電子力學的新量子現象和概念,並可能為從原理上設計一些功能可人為調控的新型電子和光電子器件提供物理基礎。

結題摘要

石墨烯納米帶(GNRs)是繼碳納米管(CNT)後倍受關注的新型準一維體系，人們已採用摻雜、邊緣原子化學修飾及外場等方法調控其微結構與物性及其相互關係，本項目中我們採用緊束縛近似解析計算配合基於密度泛函的第一原理計算相互驗證，研究了外加單軸應力(拉伸/壓縮)方法對GNRs調控中的一些相關基本物理問題。先忽略邊緣效應, 計算應力作用下晶格原胞平行四邊形邊長及夾角的變化, 採用緊束縛近似方法計算了AGNRs的電子能帶色散關係表達式。利用該解析表達式，能預測任意寬度AGNRs在彈性範圍應力作用下電子能帶結構及帶隙大小的變化規律。接著用基於密度泛函(DFT)的第一性原理計算, 通過對大量AGNRs 在應力作用下的結構馳豫(最佳化), 研究總結出AGNR晶格結構對外加應力三種不同回響特性的系列。在應力作用下, 邊緣反對稱(橫向偶數原子鏈)的2n-AGNR系列具有2n種C-C鍵(長度和夾角); 邊緣對稱(奇數原子鏈)的AGNRs有兩個系列: (4n+1)-AGNR顯示(3n+1)種鍵, 而(4n+3)-AGNR只有(3n+2)種鍵, 隨著寬度的增加變化鍵占總的比例分從80%和70%趨近於同一個數75%。用格林函式方法解折計算，預測了AGNR和鋸齒邊緣GNRs (ZGNR)的STM遂穿電流，得到了探針(tip)從條帶邊緣向內移動時遂穿電流不同類型條帶的變化規律。對於金屬型AGNRs，以往只是認為整體上是導體的，我們的結果為金屬型AGNRs條帶中從邊緣起第3n排原子鏈是半導體的；對ZGNRs邊緣態聚集在次邊緣鋸齒型原子鏈上。用衡格林函式方法，研究了導體/graphene/導體系統的自旋相關輸運性質，獲得了自旋轉矩與一般二維電子氣不同的特性。同樣方法計算出了AGNRs格林函式解析表達式，擴展到對鐵磁/AGNR/鐵磁體系自旋相關輸運性質、自旋轉矩特性和熱電效應的研究，得到了一些有意義的新結果。最後, 用基於DFT結合NEGF的第一性原理計算，研究了左右電極為ZGNR、中心散射區為不同方位取向或吸附NH2/NO2旁基的笨分子體系的電輸運性質，得到了自旋過濾器、負微分電導、整流等特性。上述研究結果對從原子(電子)深入理解GNRs準一維體系的物理本質，以及對設計基於GNRs的電子器件提供物理基礎具有重要意義。

石墨烯納米帶電子結構與物性應力調控研究

基本介紹

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