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石墨烯由于其奇异的结构和新颖的特性,引起了人们十分广泛的关注。石墨烯纳米带的边缘结构决定了它的光学性质、磁性、导电性以及电子特性等,特别是边缘的钝化,化学官能团的掺杂和边缘结构的重塑等方面的研究取得了许多引人注目的成果。因此,控制边缘结构对研究石墨烯纳米带在光学、电子学方面的性质显得尤为重要。本论文基于密度泛函理论计算研究了边缘氢原子钝化和硼掺杂后的扶手椅型石墨烯纳米带的结构和相关性质。
论文第一章简要介绍了石墨烯的发现、石墨烯的电子特性、制备方法,重点介绍了不同边界的石墨烯纳米带的电子特性。
论文第二章简要介绍了本论文所涉及到的基础理论知识。介绍了密度泛函理论(DFT)、交换关联泛函和论文中所使用的基于密度泛函理论的科学计算软件(DMol3,VASP)。
论文第三章基于密度泛函理论计算研究了边缘由氢原子钝化的扶手椅型石墨烯纳米带(Na-AGNRs-H-2H,Nd=3-30)的结构和电子特性。结果表明:1)Na-AGNRs-H-2H(Nd=3-30)仍然保持了石墨烯的二维平面结构,单氢钝化边缘的碳碳键长成震荡变化,震荡幅度逐渐减小,体系均没有磁性;2)Na-AGNRs-H-2H(N=3-30)的电子结构仍呈现出三种相互独立的变化规律,当Na=3p,3p+1,3p+2(p为正整数)时分别表现出不同的变化趋势。其带隙的变化为△3p+2>△3p+1>△3p(△3p≠0),并且随着纳米带宽度的增加,其带隙值都会逐渐减小,且均为直接带隙;3)单个氢原子钝化的碳原子的p(0)轨道对HOMO和LUMO轨道有贡献。论文第四章基于密度泛函理论的计算研究了硼掺杂的扶手椅型石墨烯纳米带结构(Na-AGNRs-B-H,Nd=3-20)的稳定性,电子特性,态密度,电荷密度等性质。结果表明:1)硼掺杂后,当Nd=3、4、5、6、7、8、11、14、17、20时体系呈现出导体性,当Na=9时,在能带结构中出现类狄拉克点分布,当Na=10、12、13、15、16、18、19时体系仍为半导体性质,但是其带隙较未掺杂时有明显的减小;2)费米面附近电子态的主要贡献来源于硼原子的p电子轨道;3)特殊结构B1(C-C)7B1的狄拉克点主要来源于边缘硼原子的贡献,自旋轨道耦合作用对其能带结构影响较为明显,在未考虑自旋轨道耦合时,体系呈现出导体性;加入自旋轨道耦合后体系呈现出类拓扑绝缘体的电子结构。