石墨烯纳米带能带结构调控的理论研究
学位论文诚信声明书
本人郑重声明：所呈交的学位论文（设计）是我个人在导师指导下进行的研究（设计）工作及取得的研究（设计）成果。除了文中加以标注和致谢的地方外，论文（设计）中不包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究（设计）成果，也不包含本人或其他人在其它单位已申请学位或为其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究（设计）所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了致谢。
申请学位论文（设计）与资料若有不实之处，本人愿承担一切相关责任。
学位论文（设计）作者签名：日期：
学位论文知识产权声明书
本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：在校期间所做论文（设计）工作的知识产权属西安科技大学所有。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文（设计）被查阅和借阅；学校可以公布本学位论文（设计）的全部或部分内容并将有关内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存和汇编本学位论文。
保密论文待解密后适用本声明。
学位论文（设计）作者签名：指导教师签名：
年月日
论文题目：石墨烯纳米带能带结构调控的理论研究
专业：微电子学
本科生：朱善旭（签名）___________
指导教师：徐大庆（签名）___________
摘要
随着集成电路技术的快速发展，集成密度，速度和存储器容量等集成电路性能指标的进一步发展必须要减小设备的尺寸。但是随着器件尺寸不断减小，硅材料较小的载流子迁移率，较低的热传导率，较差的稳定性成为了集成电路行业进一步发展的障碍，因此寻找新的材料来代替硅成为了科学研究的热点。石墨烯具有极高的电子迁移率（15000cm2·V- 1·S - 1）和优良的热传导率（3-5KW·m- 1·K- 1），因此，石墨烯被认为是可以取代单晶硅或者与单晶硅相结合，进而保持集成电路继续沿着摩尔定律提高性能的一种重要的新材料。
众所周知，本征石墨烯是一种带隙为零的半金属材料。如何打开石墨烯纳米带的带隙，使之具有半导体的基本性质，是研制石墨烯基半导体电子器件的重要条件之一。本研究基于密度泛函理论的第一性原理，利用Materials Studio程序及其CASTEP 模块研究如何改变石墨烯纳米带的能带结构。首先通过建立扶手椅型和锯齿型石墨烯纳米带模型计算分析不同形状的石墨烯纳米带的能带结构，并改变石墨烯纳米带的长度和宽度以及纳米带的层数研究结构变化对石墨烯纳米带带隙的影响，然后通过建立掺杂、吸附模型研究其各自对石墨烯纳米带带隙的影响，最后研究应力下的石墨烯纳米带的能带结构。
研究表明，不同长宽的石墨烯纳米带能带结构有变化。在长度较小，宽度适中时扶手椅型石墨烯纳米带带隙较大，长宽均较小时锯齿型石墨烯纳米带带隙较大，双层结构的石墨烯纳米带的带隙相对单层也会发生变化。另外，掺杂和吸附均可实现石墨烯纳米带能带结构的调控，但吸附对石墨烯优越的电学特性改变较小。最后，研究发现应力的存在使石墨烯纳米带的带隙减小。
关键词：石墨烯纳米带，能带结构，带隙，掺杂，吸附
Subject: Theoretical Research on the Regulation of Band Structure of Graphene nanoribbons
Specialty: Science and Engineering of Microelectronics
Name: Zhu Shanxu (Signature) ___________ InStructor: Xu Daqing (Signature) ___________
ABSTRACT
With the rapid development of integrated circuit technology, the further development of integrated circuit performance indicators such as density, speed and memory capacity ，depends on reducing the size of the device. But as device dimensions continue to decrease, less carrier mobility, low heat conduction rate, poor stability of silicon have become an obstacle to the further development of the integrated circuit industry, so looking for new materials to replace silicon has become a hot spot of scientific research. Graphene is a Semi-metallic with a band gap of zero, with extremely high electron mobility (15000cm2·V- 1·S - 1) and thermal conductivity (3-5KW·m- 1·K- 1). Therefore, graphene may be a good candidate to replace the silicon to maintain the rapid development of microelectronics technology in the future.
It is well known,as a semi metal, the band gap of graphene is zero,it is one of the important conditions for the development of graphene based semiconductor electronic devices that opening the band gap of graphene and make it have the basic properties of semiconductors.Based on the first principles of density functional theory, the energy band structure of graphene is studied by using the Materials Studio program and its CASTEP module. Firstly calculating and analyzing the energy band structure of graphene with the different shapes by building armchair and zigzag graphene model, and we change length,width and the number of layers of graphene nanoribbons to study the change of the energy band structure of graphene by changing structure of graphene. And then through the establishment of doping, the adsorption model to study their respective effect to graphene band gap . At the end of the study should be the energy band structure of the graphene under stress.
Study shows that the band structure of graphene with different length and width can be changed. When the length is small, the armchair graphene band gap is larger,and when the length and width are small bang gap of zigzag is larger than those of the bigger, and the band gap of the double layer structure will also change. In addition, the doping and adsorption can control the energy band structure of graphene, but the adsorption of graphene has a better electrical characteristics. Finally, it is found that the presence of stress decreases the band gap of graphene.
KEY WORDS: graphene nanoribbons , energy band structure, band gap, doping, adsorption
目录
第1章绪论 (1)
1.1 石墨烯能带结构调控的研究背景及意义 (1)
1.1.1石墨烯的结构 (1)
1.1.2石墨烯能带结构调控的研究意义 (2)
1.2 石墨烯能带结构的研究现状及发展趋势 (3)
1.3课题的主要研究内容 (4)
第2章理论计算方法简介 (5)
2.1第一性原理方法 (5)
2.2 Materials Studio软件介绍 (5)
2.2.1 Materials Studio软件 (5)
2.2.2 CASTEP模块简介 (6)
2.3 本征石墨烯的电子性质和能带结构 (7)
2.3.1 建立模型 (7)
2.3.2 计算分析 (8)
2.4 加氢边缘修饰对石墨烯能带结构的影响 (8)
2.5 本章小结 (10)
第3章扶手椅型和锯齿型石墨烯的能带结构 (11)
3.1 建立模型 (11)
3.2 扶手椅型和锯齿型石墨烯纳米带的能带结构 (11)
3.3 宽度和长度对石墨烯纳米带能带结构的影响 (12)
3.3.1 宽度对扶手椅型石墨烯纳米带能带结构的影响 (12)
3.3.2 长度对扶手椅型石墨烯纳米带能带结构的影响 (15)
3.3.3 宽度对锯齿型石墨烯纳米带能带结构的影响 (17)
3.3.4 长度对锯齿型石墨烯纳米带能带结构的影响 (20)
3.4 本章小结 (23)
第4章掺杂对石墨烯纳米带能带结构的影响 (24)
4.1 点缺陷对石墨烯纳米带能带结构的影响 (24)
4.2 掺杂对扶手椅型石墨烯纳米带能带结构的影响 (25)
4.2.1 B掺杂对扶手椅型石墨烯纳米带能带结构的影响 (25)
4.2.2 N掺杂对扶手椅型石墨烯纳米带能带结构的影响 (26)
4.2.3 As掺杂对扶手椅型石墨烯纳米带能带结构的影响 (27)
4.3 掺杂对锯齿型石墨烯纳米带能带结构的影响 (29)
4.3.1 B掺杂对锯齿型石墨烯纳米带能带结构的影响 (29)
4.3.2 N掺杂对锯齿型石墨烯纳米带能带结构的影响 (30)
4.3.3 As掺杂对锯齿型石墨烯纳米带能带结构的影响 (31)
4.4 本章小结 (32)
第5章吸附、应力以及多层结构对石墨烯纳米带的能带结构的影响 (33)
5.1 建立吸附模型 (33)
5.2 吸附对扶手椅型石墨烯纳米带能带结构的影响 (34)
5.3 吸附对锯齿型石墨烯纳米带能带结构的影响 (37)
5.4 施加应力对石墨烯纳米带能带结构的影响 (37)
5.5 双层石墨烯纳米带的能带结构 (39)
5.6 本章小结 (40)
第6章结论 (41)
致谢 (43)
参考文献 (44)
图表清单
图1.1 石墨结构图 (2)
图1.2 (a）石墨烯的二维六角密排结构(b)常温下波动状态 (2)
图2.1 MS工作界面图 (6)
图2.2 CASTEP(a)计算(b)分析界面图 (7)
图2.3 本征石墨烯(a)俯视图(b)侧视图 (7)
图2.4 本征石墨烯的能带结构图 (8)
图2.5 (a)本征(b)加氢边缘修饰6×6×1扶手椅型石墨烯纳米带的结构图 (9)
图2.6 (a)本征(b)加氢边缘修饰6×6×1扶手椅型石墨烯纳米带的能带结构图 (9)
图3.1 扶手椅型石墨烯纳米带 (11)
图3.2 锯齿型石墨烯纳米带 (11)
图3.3 扶手椅型石墨烯纳米带的能带结构图 (12)
图3.4 锯齿型石墨烯纳米带的能带结构图 (12)
图3.5 m=4的扶手椅型石墨稀结构图 (13)
图 3.6 (a) m=4的扶手椅型石墨稀能带结构图 (14)
图 3.6 (b) m=4的扶手椅型石墨稀带隙与其宽度关系图 (15)
图3.7 n=5的扶手椅型石墨稀结构图 (16)
图 3.8(a) n=5的扶手椅型石墨稀能带结构图 (17)
图 3.8(b) n=5的扶手椅型石墨稀带隙与其长度关系图 (17)
图 3.9 m=5的锯齿型石墨稀结构图 (18)
图 3.10(a) m=5的锯齿型石墨稀能带结构图 (19)
图 3.10(b) m=5的锯齿型石墨稀带隙与其宽度关系图 (20)
图 3.11 n=3的锯齿型石墨稀结构图 (21)
图 3.12(a) n=3的锯齿型石墨稀能带结构图 (22)
图 3.12(b) n=3的锯齿型石墨稀的带隙与其长度关系图 (22)
图4.1(a)armchair(4,6)型GNRS(b)armchair(5,5)型GNRS点缺陷模型结构图 (24)
图4.2 (a)armchair(4,6)型GNRS(b)armchair(5,5)型GNRS点缺陷模型能带结构图 (25)
图4.3 B掺杂的(a)armchair(4,6)型GNRS(b)armchair(5,5)型GNRS 结构图 (25)
图4.4 B掺杂的(a)armchair(4,6)型GNRS(b)armchair(5,5)型GNRS 能带结构图 (26)
图4.5 N掺杂的(a)armchair(4,6)型GNRS(b)armchair(5,5)型GNRS 结构图 (26)
图4.6 N掺杂的(a)armchair(4,6)型GNRS(b)armchair(5,5)型GNRS 能带结构图 (27)
图4.7 As掺杂的armchair(4,6)型GNRS(a)俯视(b)侧视结构图 (28)
图4.8 As掺杂的armchair(5,5)型GNRS(a)俯视(b)侧视结构图 (28)
图4.9 As掺杂的(a)armchair(4,6)型GNRS(b)armchair(5,5)型GNRS 能带结构图 (29)
图4.10 B掺杂的(a)zigzag(4,3)型GNRS(b)zigzag(5,5)型GNRS结构图 (30)
图4.11 B掺杂的(a)zigzag(4,3)型GNRS(b)zigzag(5,5)型GNRS能带结构图 (30)
图4.12 N掺杂的(a)zigzag(4,3)型GNRS(b)zigzag(5,5)型GNRS结构图 (30)
图4.13 N掺杂的(a)zigzag(4,3)型GNRS(b)zigzag(5,5)型GNRS能带结构图 (31)
图4.14 As掺杂的(a)zigzag(4,3)型GNRS(b)zigzag(5,5)型GNRS结构图 (32)
图4.15 As掺杂的(a)zigzag(4,3)型GNRS(b)zigzag(5,5)型GNRS能带结构图 (32)
图5.1 Pd掺杂的armchair(4,6)型石墨烯吸附CO(a)俯视(b)侧视图 (33)
图5.2 Pd掺杂的armchair(5,5)型石墨烯吸附CO(a)俯视(b)侧视结构图 (34)
图5.3 Pd掺杂的zigzag(4,3)型石墨烯吸附CO(a)俯视(b)侧视结构图 (34)
图5.4 Pd掺杂的zigzag(5,5)型石墨烯吸附CO(a)俯视(b)侧视结构图 (34)
图5.5 Pd掺杂的(a)armchair(4,6)型(b)armchair(5,5)型石墨烯吸附能带结构图 (35)
图5.6 (a)掺杂Pd吸附CO(b)掺杂B(c)本征armchair(4,6)型石墨烯的态密度图 (36)
图5.7 Pd掺杂的(a)zigzag(4,3)型(b)zigzag(5,5)型石墨烯吸附能带结构图 (37)
图5.8 (a)A=11(b)A=9的armchair(4,6)型石墨烯的能带结构图 (38)
图5.9 应力下的armchair(5,5)型石墨烯的能带结构图 (38)
图5.10 (a)扶手椅型(b)锯齿型双层石墨烯俯视图 (39)
图5.11 (a)扶手椅型(b)锯齿型双层石墨烯侧视图 (39)
图5.12 (a)扶手椅型(b)锯齿型双层石墨烯能带结构图 (40)
第1章绪论
1.1 石墨烯能带结构调控的研究背景及意义
1.1.1石墨烯的结构
碳元素在自然界中存在很广泛,其独特的性质和在不同领域的用途随着人类文明的进步而逐渐被发现。自从富勒烯和碳纳米管被科学家发现,三维的金刚石、一维的碳纳米管、零维的富勒烯组成了碳组系列。前人的研究已经证明，碳的零维、一维、三维结构材料可以稳定存在,那么二维碳材料---石墨烯能否稳定存在？2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·海姆教授和他的俄罗斯同事科斯佳·诺沃谢洛夫研究员用一种极为简单的方法成功从石墨中分离出石墨烯。他们的研究发现立即震撼了整个凝聚态物理界,并且很快也在材料科学,化学,电子学等领域产生巨大反响，掀起了对石墨烯的研究热潮。这是因为在发现石墨烯以前,大多数科学家认为,由于其本身的热力学不稳定性,准二维晶体材料在室温下会迅速分解或拆解,长程有序结构在无限的二维体系中无法维持。因此,理论和实验界都认为完美的二维结构无法在非绝对零度下稳定存在,但是,石墨烯却能在实验中被制备出来,而且还能稳定存在,这不得不引起科学界的重视。
石墨烯是由碳原子组成的二维蜂窝状材料,它是许多碳质材料的基本结构单元。石墨烯材料的成功制备，开辟了新型纳米功能材料的新纪元，这些可以进行生产的二维材料既轻便又坚固，且弹性好，还大量存在，具有广泛的应用前景。安德烈·海姆教授和他的俄罗斯同事科斯佳·诺沃谢洛夫研究员是从石墨中剥离石墨烯的，石墨的结构如图1.1所示。石墨是由六边形蜂窝状结构堆垛而成的，层内C原子是SP2杂化，与相邻的三个碳原子以σ键相连。C原子剩余的一个价层电子位于2P轨道中，排列方向与六边形平面垂直，2P轨道之间相互交叠，形成离域大π键。不难发现，石墨层内结构十分稳定。层与层之间以范德华力相连接，作用力较弱。所以石墨单层极为坚硬，而层与层之间极为柔软。
石墨烯的结构如图1.2所示，与石墨相同，石墨烯中碳原子是SP2杂化,石墨烯中每个C原子是通过强S键与其他三个C原子键合在一起的，C-C键长为142pm,具有110–121 GP的层间强度。C原子的剩余一个价电子位于2P轨道，随着2P轨道相互折叠电子密度不断变大，形成一个离域大π键，π电子因为受到离域的束缚小，可以在晶体里自由移动。石墨烯中如果存在五原子原胞，就会使石墨烯结构发生翘起，成为富勒烯。石墨烯的边缘和表面很容易起褶皱，所以常温下石墨烯呈波动状态。广义的石墨烯包括单层、双层以及几层的碳原子层，层与层之间以范德华力相互连接。
图1.1 石墨结构图
图1.2 (a）石墨烯的二维六角密排结构(b)常温下波动状态
1.1.2石墨烯能带结构调控的研究意义
石墨烯是一种由碳原子填充的芳香族结构二维蜂窝状材料，具有完美的六碳环结构，稳定性极高。石墨烯的电子迁移率很高，约为15000cm2·V- 1·S - 1，并且在10-100K范围内与温度无关。石墨烯的电阻率甚至比银的更低，约为0?
6 Ω·cm。石墨烯这些卓越的运输性质让其在电子领域的应用很有前景。石墨烯还有很多
优越的结构性质，易于进行各种化学修饰、室温下的高热高率、自旋运输等等，石墨烯这些独特的结构性质让科学家们迫不及待地想要将其应用与光学、电化学、电子器件等领域。
与单晶硅相比，石墨烯具有极其优越的电学性质。石墨烯的π电子可以在晶格中自由移动，这种独特的结构就决定了它卓越的性质。电子在石墨烯中运动速度很快，可以达到光速的1/300，比在硅中的移动速度要大得多。科学家的研究已经证明，石墨烯中电子有效质量为零，与光子极为相似，这使其具有完整的霍尔效应，更为难得的是，石墨烯的霍尔效应在室温下就可以观测到，比之前的温度范围大了十倍。此外，石墨烯超导温度高，超导性好，比表面积达到了2630 m2·g-1，所以石墨烯是一种很优秀的吸附材料。如果用石墨烯取代单晶硅应用于半导体行业，将对半导体产生极其重大的影响。石墨烯以其优越的特性成为未来集成电路的理想材料，科学家们相信，当“硅时代”走到尽头时，取而代之的是以石墨烯为代表的“碳时代”的到来。
但是，作为一种新材料，根据ITRS（国际半导体技术路线图），石墨烯的应用还存在很多问题。首先，石墨烯是一种半金属，导带底和价带顶相互重叠，所以石墨烯的能带没有带隙。因此，将石墨烯应用于半导体行业关键是使石墨烯具有合适的带隙。许多伟大的研究已经从实验和理论两个方面围绕这个问题展开。
1.2 石墨烯能带结构的研究现状及发展趋势
要想将石墨烯应用于未来的半导体器件，关键在于使石墨烯对于不同情况下的不同器件拥有不同的带隙，也就是实现对石墨烯能带结构的调控。目前科学家已经尝试使用各种不同的方法打开石墨烯的带隙，研究已发现通过适当的裁剪石墨烯纳米带得到的扶手椅型和锯齿型的纳米带可以使石墨烯拥有带隙，但此方法得到的石墨烯纳米带的带隙很小[2]。但对于随着长宽变化，石墨烯纳米带的能带结构的变化还没有深入的研究。另外，经前人研究发现，掺杂也可以影响石墨烯的结构，譬如，盖永杰等人利用第一性原理研究N掺杂对石墨烯的结构的影响，结果表明N原子在边缘位置掺杂对石墨烯C-C键键长的影响最大且随着掺杂浓度的增大键长的变化增大[9]。这可能会影响石墨烯的能带结构，掺杂对石墨烯纳米带能带结构的影响有待进一步的研究。
吸附对石墨烯能带结构的影响也是很热门的研究方向。早在2007年，J.O.Sofo等人就预测了石墨烯吸附氢原子可以形成稳定的二维石墨烷。每个碳原子吸附两个氢原子，分别位于位于石墨烯平面的上下方，这也为储氢提供了新的途径。更加令人惊喜的是，通过吸附氢原子，石墨烯的能带在费米面附近出现了一个很大的带隙，从而由半金属变成了绝缘体,证明吸附可能使石墨烯拥有合适的带隙。同时，研究表明，掺杂Pd等元素会大大提高石墨烯的吸附能力[11]。此外，空位缺陷使石墨烯纳米带的结构发生很大变化，但对于能带结构的影响没有太深入的研究。应力、石墨烯的层数等对石墨烯纳米带的能带结构也都有一定的影响。
虽然对于石墨烯的研究已经取得了一些进展，但是石墨烯应用于微电子行业还有很
长的一段路要走。目前阻碍石墨烯应用于电子器件的两个主要障碍是：（1）如何形成制备大面积结构完整的石墨烯的工艺（2）如何打开石墨烯的带隙并且不影响石墨烯的电子性质。
1.3论文的主要研究内容
本论文采用基于密度泛函的第一性原理方法计算分析不同条件下的石墨烯能带结构，分析纳米带的形状、长度和宽度、掺杂、吸附、点缺陷、多层结构以及应力对石墨烯纳米带能带结构的影响。
论文的主要研究内容简述如下：
第二章介绍Materials Studio及其CASTEP模块的使用，利用第一性原理计算分析石墨烯原胞的能带结构，并构建加氢边缘修饰模型使石墨烯边缘碳原子的悬空键饱和，计算分析氢饱和前后石墨烯能带结构的变化。
第三章我们研究扶手椅型和锯齿型石墨烯纳米带的能带结构，发现通过改变石墨烯纳米带的形状可以使其具有一个较小的带隙。紧接着通过改变纳米带的宽度和长度研究宽度和长度对石墨烯纳米带带隙的影响，并寻找带隙最理想的结构。
第四章我们考虑了掺杂对石墨烯纳米带能带结构的影响，对扶手椅型和锯齿型的石墨烯纳米带分别掺杂B、N、As，采用广义梯度近似( generalized gradient approximation，GGA) 方法处理电子间交换关联作用，并采用了Perdew，Burke和Ernzerhof(PBE)提出的关联梯度修正泛函对结构进行优化，然后计算分析掺杂模型的能带结构。同时计算分析了点缺陷对石墨烯纳米带能带结构的影响。
第五章首先以CO吸附Pd掺杂的石墨烯纳米带为研究对象，研究吸附对石墨烯纳米带能带结构的影响，发现吸附对于打开石墨烯纳米带的带隙取得了理想的效果，并且相对于掺杂，石墨烯纳米带的电学性质变化较小。然后计算分析了应力下的石墨烯纳米带的能带结构以及多层石墨烯纳米带的带隙。发现应力的存在以及石墨烯纳米带层数的增加对石墨烯纳米带的带隙有不同的影响。
第六章是对整个对研究工作的总结，并且说明了本次研究存在的缺点。
第2章理论计算方法简介
2.1第一性原理方法
根据原子核和电子间相互作用的基本原理及运动规律，运用量子力学原理，从具体的要求出发，经过一些近似处理后对薛定谔方程进行直接求解的算法，习惯上称为第一性原理。第一性原理通常是应用于计算的，是指在进行计算的时候除了研究对象晶格中的原子和他们的位置外，没有其它经验的或者半经验的参量，具有很好的移植性。
第一性原理计算理论上仅仅只需要五个基本的常数，即电子质量m0、电量e、光速c、普朗克常数h 以及玻尔兹曼常数K B，无需其它任何经验或者半经验的数据便可对微观体系的状态和性质进行有效的预测。作为评价事物的依据，第一性原理和经验参数是两个极端。第一性原理是由某些硬性规定或推演得出的结论，而经验参数则是通过大量实例得出的规律性的数据，这些数据可以来自第一性原理(称为理论统计数据)，也可以来自实验（称为实验统计数据）。
广义的第一原理包括两大类，以Hartree-Fock自洽场计算为基础的ab initio从头算，和密度泛函理论（DFT）计算。也有人主张，ab initio专指从头算，而第一性原理和所谓量子化学计算特指密度泛函理论计算。
2.2 Materials Studio软件介绍
2.2.1 Materials Studio软件
本研究主要使用Materials Studio（简称MS)软件进行课题研究工作。Materials Studio 软件工作界面图如图2.1所示。Materials Studio是美国Accelrys公司生产的材料计算软件，在材料、化学、物理领域具有广泛的应用。本研究就主要使用Materials Studio软件及其CASTEP模块。
支持NT、Unix、Windows98、2000、Windows 7以及Linux等多种操作平台的Materials Studio为科学家们建立材料模型进行计算分析提供了便捷的途径。无论构型优化、能带分析、电子态密度、性质预测、X射线衍射分析我们都可以通过Materials Studio一些简单易学的操作得到切实可靠的数据。
Materials Studio软件的工作界面如图2.1所示，右上方是材料3D图，可以方便地进行移动旋转、调整价键、删减增加原子、缩放图形等操作；将建立好的3D模型图保存在工程里，在左上方的工程视图里可以打开调用；左下方的性能视图可以将模型图中原子、化学键的具体信息详细地展现出来；而对建立好的3D模型，进行计算分析，工作状态会在右下方的Job视图中显示。
图2.1 MS工作界面图
2.2.2 CASTEP模块简介
CASTEP是为研究固体材料而专门设计的，它使用了密度泛函(DFT）平面波赝势方法，进行第一性原理计算，可以用来研究预测如半导体，陶瓷，金属，矿物和沸石等材料的晶体结构和电子性质。使用CASTEP 可以对材料的电学特性、光学特性、态密度、价键结构等进行计算分析。
使用CASTEP计算分析步骤简述如下：
（1）结构定义：有大量的方法建立一种材料的3D模型图，可使用构建晶体来构建，也可以从已存在的的结构文件中引入结构模型，还可修改已存在的结构，但是建立的结构必须是周期性结构，否则无法进行计算分析。本研究选择引入已存在的结构模型并对该文件进行修改，从而得到所需结构模型。
（2）计算设置：3D模型构建完成以后，使用CASTEP计算模块进行计算，如图2.2所示。计算时先进行结构优化，分为几何结构优化和电子结构优化，然后计算建立的模型的能带结构以及电子态密度。
（3）结果分析：计算完成后，使用CASTEP的分析功能，分析工作界面如图2.2(b)所示。可以分析材料的能带结构、电子态密度、电子密度、电子密度差、应力等。本研
究主要进行石墨烯纳米带的能带结构以及电子态密度的分析。
图2.2 CASTEP(a)计算(b)分析界面图
2.3 本征石墨烯的电子性质和能带结构
2.3.1 建立模型
打开MS软件，新建工程，从文件夹ceramics中导入石墨烯模型(graphite)就可以得到本征石墨烯。其结构如图2.3所示，有两个石墨烯层，每层石墨烯中含有两个C原子，C原子为SP2杂化，C原子以σ与相邻的三个C原子相连，C-C键键长为1.42?，剩余的一个原子分布在2P轨道中，形成一个离域大π键。
本征石墨烯的空间群是P63/MMC或空间群数字是194，晶格参数为：A=2.46 ?,B=2.46?,C=6.80?，晶格在Y方向呈现周期性。
图2.3 本征石墨烯(a)俯视图(b)侧视图
2.3.2 计算分析
使用CASTEP模块对本征石墨烯进行分析计算。首先进行结构优化，采用广义梯度近似( generalized gradient approximation，GGA) 方法处理电子间交换关联作用，并采用了Perdew，Burke和Ernzerhof(PBE)提出的关联梯度修正泛函。结构优化时设置优化品质为优，能量收敛到10-5eV、位移收敛到0.002?，所有的力小于0.05eV/?，压力小于0.1GPa。
自洽场电荷密度收敛标准为2×10-6eV/atom，循环次数为100次；K点设置为1×1×6；计算对象为本征石墨烯的能带结构，计算结果如图2.4所示。
图2.4 本征石墨烯的能带结构图
从能带图可以看出，本征石墨烯是一个典型的半金属，价带和导带相互交叠，禁带宽度为零。
2.4 加氢边缘修饰对石墨烯纳米带能带结构的影响
如图2.5(a)所示，本征石墨烯在边缘处的C原子并不是饱和的，只有两个C原子与边缘C原子相连，所以每个边缘C原子都有一个孤立电子。为了使边缘C原子价键饱和，我们以6×6×1的扶手椅型石墨烯纳米带为例，对本征石墨烯进行加氢边缘修饰，建立边缘氢化石墨烯纳米带模型，其结构如如图2.5(b)所示。
图2.5 (a)本征(b)加氢边缘修饰6×6×1扶手椅型石墨烯纳米带的结构图为了研究加氢边缘修饰对石墨烯能带结构的影响，我们使用CASTEP模块分别对加氢与本征的石墨烯的能带结构进行计算分析。结构优化时设置优化品质为优，能量收敛到2×10-5eV、位移收敛到0.002?，所有的力小于0.05eV/?，压力小于0.1GPa。自洽场电荷密度收敛标准为2×10-5eV/atom，循环次数为200次，K点设置为1×1×6，计算对象为本征石墨烯的能带结构，计算结果如图2.6所示。
图2.6 (a)本征(b)加氢边缘修饰6×6×1扶手椅型石墨烯纳米带的能带结构图
由能带图可知，6×6×1本征扶手椅型石墨烯纳米带具有一个小的带隙，禁带宽度为0.122eV，而对边缘碳原子加氢修饰以后，带隙变小了，只有0.048eV。这可以归结于电荷密度的改变，众所周知，石墨烯中每个C原子与其他三个相邻C原子成键，而边缘加
氢后边缘C原子SP2轨道中的三个电子中两个与C原子成键，而另外一个与H原子成键，边缘C原子的电荷密度就发生了变化，导致价带顶上升，导带底下移，从而使带隙减小。
2.5 本章小结
本章首先介绍了第一性原理计算方法和Materials Studio及其CASTEP模块的使用，然后以本征石墨烯为例详细描述了使用MS对石墨烯进行能带结构分析的方法，结果显示本征石墨烯带隙为零，表现出典型的半金属性，与前人的研究结果相符合，证明了使用MS来完成研究工作的可行性。
最后，我们比较了加氢边缘修饰前后石墨烯纳米带能带结构的变化，发现边缘氢化后石墨烯纳米带的带隙变小了。
第3章扶手椅型和锯齿型石墨烯的能带结构
完整的石墨烯拥有稳定的蜂巢状晶格结构，其带隙为零。有研究认为，将石墨烯纳米带(GNRS)裁剪成扶手椅形状(armchair)或者锯齿形状(zigzag)时可能会出现一定的带隙，从而使石墨烯转变为半导体。那么当石墨烯纳米带的长度和宽度变化时，扶手椅型和锯齿型石墨烯的能带又会发生怎样的变化呢？本章主要围绕这个问题开展研究工作。
3.1 建立模型
打开MS软件，新建工程，从文件夹ceramics中导入石墨烯模型(graphite)就可以得到本征石墨烯。在本征石墨烯的基础上，将原胞进行扩胞，以6×6×1扶手椅型石墨烯为例，即将原胞扩成6×6×1的超精胞，然后将角度设置为90°，把c-c键均设置为Partia Double Bond，最后进行加氢边缘修饰，即可得到所需的6×6×1扶手椅型石墨烯纳米带，结构如图3.1所示。石墨带的宽度和长度用(m,n) 标定,沿X方向一排碳原子的个数定义为宽度m, 沿Y方向一排碳原子的个数定义为长度n。
建立锯齿型石墨烯纳米带时，需要先建立本征石墨烯的最小周期性单元模型，然后再进行扩胞、角度设置、价键调整、边缘修饰即可。结构图如图3.2所示。石墨烯纳米带的宽度和长度用(m,n) 标定,沿Y方向一排碳原子的个数定义为宽度m, 沿X方向一排碳原子的个数定义为长度n。
图3.1 扶手椅型石墨烯纳米带图3.2 锯齿型石墨烯纳米带
3.2 扶手椅型和锯齿型石墨烯纳米带的能带结构
为了计算分析扶手椅型和锯齿型石墨烯纳米带的能带结构，我们使用CASTEP模块分别对扶手椅型和锯齿型石墨烯纳米带的能带结构进行计算分析。结构优化时设置优化
品质为优，能量收敛到5×10-5eV、位移收敛到0.002?，所有的力小于0.05eV/?，压力小于0.1GPa。自洽场电荷密度收敛标准为5×10-5eV/atom，循环次数为200次，K点设置为1×1×6，计算对象为石墨烯纳米带的能带结构，计算结果如图3.3和图3.4所示。
图3.3 扶手椅型石墨烯纳米带的能带结构图图3.4 锯齿型石墨烯纳米带的能带结构图
计算结果表明，6×6×1的扶手椅型和锯齿型石墨烯纳米带均具有一个较小的带隙，属于半导体，禁带宽度分别为分别为0.048eV和0.038eV。
3.3 宽度和长度对石墨烯纳米带能带结构的影响
3.3.1 宽度对扶手椅型石墨烯纳米带能带结构的影响
我们以长度为4的扶手椅型石墨烯纳米带为研究对象，保持长度不变，观察宽度从3变化至9的过程中石墨烯纳米带的禁带宽度的变化，结构图如图3.5所示。
n=3 n=4 n=5
石墨烯复合材料的研究及其应用
石墨烯复合材料的研究及其应用 任成，王小军，李永祥，王建龙，曹端林 摘要：石墨烯因其独特的结构和性能，成为物理化学和材料学界的研究热点。本文综述了石墨烯复合材料的结构和分类，主要包括石墨烯-纳米粒子复合材料、石墨烯-聚合物复合材料和石墨烯-碳基材料复合材料。并简述石墨烯复合材料在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。 关键词：石墨烯；复合材料；纳米粒子；含能材料 Research and Application of Graphene composites ABSTRACT: Graphene has recently attracted much interest in physics,chemistry and material field due to its unique structure and properties. This paper reviews the structure and classification of graphene composites, mainly inclouding graphene-nanoparticles composites, graphene-polymer composites and graphene-carbonmaterials composites. And resume the application of graphene composites in the field of catalysis, electrochemistry, biological medicine and energetic materials. Keywords: graphene; composites; nanoparticles; energetic materials 石墨烯自2004年曼彻斯特大学Geim[1-3]等成功制备出以来，因其独特的结构和性能，颇受物理化学和材料学界的重视。石墨烯是一种由碳原子紧密堆积构成的二维晶体，是包括富勒烯、碳纳米管、石墨在内的碳的同素异形体的基本组成单元。石墨烯的制备方法主要有机械剥离法，晶体外延法，化学气相沉积法，插层剥离法以及采用氧化石墨烯的高温脱氧和化学还原法等[4-10]。与碳纳米管类似，石墨烯很难作为单一原料生产某种产品，而主要是利用其突出特性与其它材料体系进行复合．从而获得具有优异性能的新型复合材料。而氧化石墨烯由于其特殊的性质和结构，使其成为制备石墨烯和石墨烯复合材料的理想前驱体。本文综述了石墨烯复合材料的结构、分类及其在催化领域、电化学领域、生物医药领域和含能材料领域的应用。
石墨烯纳米带能带结构调控的理论研究
学位论文诚信声明书 本人郑重声明：所呈交的学位论文（设计）是我个人在导师指导下进行的研究（设计）工作及取得的研究（设计）成果。除了文中加以标注和致谢的地方外，论文（设计）中不包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究（设计）成果，也不包含本人或其他人在其它单位已申请学位或为其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究（设计）所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文（设计）与资料若有不实之处，本人愿承担一切相关责任。 学位论文（设计）作者签名：日期： 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：在校期间所做论文（设计）工作的知识产权属西安科技大学所有。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文（设计）被查阅和借阅；学校可以公布本学位论文（设计）的全部或部分内容并将有关内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文（设计）作者签名：指导教师签名： 年月日
论文题目：石墨烯纳米带能带结构调控的理论研究 专业：微电子学 本科生：朱善旭（签名）___________ 指导教师：徐大庆（签名）___________ 摘要 随着集成电路技术的快速发展，集成密度，速度和存储器容量等集成电路性能指标的进一步发展必须要减小设备的尺寸。但是随着器件尺寸不断减小，硅材料较小的载流子迁移率，较低的热传导率，较差的稳定性成为了集成电路行业进一步发展的障碍，因此寻找新的材料来代替硅成为了科学研究的热点。石墨烯具有极高的电子迁移率（15000cm2·V- 1·S - 1）和优良的热传导率（3-5KW·m- 1·K- 1），因此，石墨烯被认为是可以取代单晶硅或者与单晶硅相结合，进而保持集成电路继续沿着摩尔定律提高性能的一种重要的新材料。 众所周知，本征石墨烯是一种带隙为零的半金属材料。如何打开石墨烯纳米带的带隙，使之具有半导体的基本性质，是研制石墨烯基半导体电子器件的重要条件之一。本研究基于密度泛函理论的第一性原理，利用Materials Studio程序及其CASTEP 模块研究如何改变石墨烯纳米带的能带结构。首先通过建立扶手椅型和锯齿型石墨烯纳米带模型计算分析不同形状的石墨烯纳米带的能带结构，并改变石墨烯纳米带的长度和宽度以及纳米带的层数研究结构变化对石墨烯纳米带带隙的影响，然后通过建立掺杂、吸附模型研究其各自对石墨烯纳米带带隙的影响，最后研究应力下的石墨烯纳米带的能带结构。 研究表明，不同长宽的石墨烯纳米带能带结构有变化。在长度较小，宽度适中时扶手椅型石墨烯纳米带带隙较大，长宽均较小时锯齿型石墨烯纳米带带隙较大，双层结构的石墨烯纳米带的带隙相对单层也会发生变化。另外，掺杂和吸附均可实现石墨烯纳米带能带结构的调控，但吸附对石墨烯优越的电学特性改变较小。最后，研究发现应力的存在使石墨烯纳米带的带隙减小。 关键词：石墨烯纳米带，能带结构，带隙，掺杂，吸附
石墨烯基本特性
2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，用高度定向的热解石墨首次获得了独立存在的高质量石墨烯，打破了传统的物理学观点:二维晶体在常温下不能稳定存在。两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。 石墨烯是一种碳原子分布在二维蜂巢晶体点阵上的单原子层晶体。被认为是构建所有其他维数石墨材料的基本单元，它可以包裹成零维的富勒烯，卷曲成一维的碳纳米管或者堆垛成三维的石墨，如图所示。石墨烯晶体C-C键长为0.142nm，每个碳原子4 个价电子中的3 个通过σ键与临近的3个碳原子相连，S、Px 和Py3个杂化轨道形成强的共价键合，组成sp2杂化结构。这些σ键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。拉伸强度高达130Gpa，破坏强度为42N/m，杨氏模量为1.0TPa,断裂强度为125Gpa 与碳纳米管相当。石墨烯的厚度仅为0.35nm左右，是世界上最薄的二维材料。石墨烯一层层叠起来就是石墨，厚1毫米的石墨大约包含300万层石墨烯。铅笔在纸上轻轻划过，留下的痕迹就可能是几层甚至仅仅一层石墨烯。（百度百科）石墨烯的硬度比最好的钢铁强100倍，甚至还要超过钻石，是已知的世上最薄、最坚硬的纳米材料。
石墨烯结构示意图（10） 石墨烯目前最有潜力的应用是成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机。传统的半导体和导体，例如硅和铜，由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，2013年一般的电脑芯片以这种方式浪费了72%-81%的电能。而在石墨烯中，每个碳原子都有一个垂直于碳原子平面的σz轨道的未成键的p电子，在晶格平面两侧如苯环一样形成高度巡游的大π键，可以在晶体中自由高效的迁移，且运动速度高达光速的1/300，电子能量不会被损耗，赋予了石墨烯良好的导电性。晶格平面两侧高度巡游的大π键电子又使其具有零带隙半导体和狄拉克载流子特性宽
石墨烯基础知识简介
1.石墨烯（Graphene）的结构 石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢状晶格的平面薄膜，是一种只有一个原子层厚度的二维材料。如图1.1所示，石墨烯的原胞由晶格矢量a1和a2定义每个原胞内有两个原子，分别位于A和B的晶格上。C原子外层3个电子通过sp2杂化形成强σ键（蓝），相邻两个键之间的夹角120°，第4个电子为公共，形成弱π键（紫）。石墨烯的碳-碳键长约为0.142nm，每个晶格内有三个σ键，所有碳原子的p轨道均与sp2杂化平面垂直，且以肩并肩的方式形成一个离域π键，其贯穿整个石墨烯。 如图1.2所示，石墨烯是富勒烯（0维）、碳纳米管（1维）、石墨（3维）的基本组成单元，可以被视为无限大的芳香族分子。形象来说，石墨烯是由单层碳原子紧密堆积成的二维蜂巢状的晶格结构，看上去就像由六边形网格构成的平面。每个碳原子通过sp2杂化与周围碳原子构成正六边形，每一个六边形单元实际上类似一个苯环，每一个碳原子都贡献一个未成键的电子，单层石墨烯的厚度仅为0.335nm，约为头发丝直径的二十万分之一。 图 1.1（a）石墨烯中碳原子的成键形式（b）石墨烯的晶体结构。 图1.2石墨烯原子结构图及它形成富勒烯、碳纳米管和石墨示意图石墨烯按照层数划分，大致可分为单层、双层和少数层石墨烯。前两类具有
相似的电子谱，均为零带隙结构半导体（价带和导带相较于一点的半金属），具有空穴和电子两种形式的载流子。双层石墨烯又可分为对称双层和不对称双层石墨烯，前者的价带和导带微接触，并没有改变其零带隙结构；而对于后者，其两片石墨烯之间会产生明显的带隙，但是通过设计双栅结构，能使其晶体管呈示出明显的关态。 单层石墨烯（Graphene）：指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。 双层石墨烯（Bilayer or double-layer graphene）：指由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。 少层石墨烯（Few-layer or multi-layer graphene）：指由3-10层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC 堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。 石墨烯（Graphenes）：是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯和少层石墨烯的统称。 由于二维晶体在热力学上的不稳定性，所以不管是以自由状态存在或是沉积在基底上的石墨烯都不是完全平整，而是在表面存在本征的微观尺度的褶皱，蒙特卡洛模拟和透射电子显微镜都证明了这一点。这种微观褶皱在横向上的尺度在8~10nm 范围内，纵向尺度大概为 0.7~1.0nm。这种三维的变化可引起静电的产生，所以使石墨单层容易聚集。同时，褶皱大小不同，石墨烯所表现出来的电学及光学性质也不同。 图1.3 单层石墨烯的典型构象 除了表面褶皱之外，在实际中石墨烯也不是完美存在的，而是会有各种形式的缺陷，包括形貌上的缺陷（如五元环，七元环等）、空洞、边缘、裂纹、杂原子等。这些缺陷会影响石墨烯的本征性能，如电学性能、力学性能等。但是通过一些人为的方法，如高能射线照射，化学处理等引入缺陷，却能有意的改变石墨烯的本征性能，从而制备出不同性能要求的石墨烯器件。 2.石墨烯的性质 2.1 力学特性
水热合成Fe2O3石墨烯纳米复合材料及其电化学性能研究
常熟理工学院学报（自然科学）Journal of Changshu Institute Technology （Natural Sciences ）第26卷第10Vol.26No.102012年10月Oct.,2012 收稿日期：2012-09-05 作者简介：季红梅（1982—），女，江苏启东人，讲师，工学硕士，研究方向：无机功能材料．水热合成Fe 2O 3/石墨烯纳米 复合材料及其电化学性能研究 季红梅1，于湧涛2，王露1，王静1，杨刚1 （1.常熟理工学院化学与材料工程学院，江苏常熟215500；2.吉林石化公司研究院，吉林吉林132021） 摘要：利用水热法成功合成了Fe 2O 3/石墨烯（RGO ）锂离子电池负极材料.导电性能良好的石墨烯网络起到连接导电性能极差的Fe 2O 3和集流体的作用.电化学性能测试表明，180℃下得到的 Fe 2O 3/RGO 具有良好的比容量和循环稳定性.在不同倍率充放电过程中，初始放电比容量为1023.6mAh/g （电流密度为40mA/g ），电流密度增加到800mA/g 时，放电比容量维持在406.6 mAh/g ，大于石墨的理论放电比容量~372mAh/g.在其他较高的电流密度下比容量均保持基本不变.该Fe 2O 3/RGO 有望成为高容量、低成本、低毒性的新一代锂离子电池负极材料.关键词：Fe 2O 3；石墨烯；负极材料中图分类号：TM911文献标识码：A 文章编号：1008-2794（2012）10-0055-05 自从P.Poizot [1]等报道过渡金属氧化物可以作为锂离子电池负极材料这一研究后，金属氧化物负极便逐渐引起人们的重视.铁的氧化物具有比容量大、倍率性能好和安全性能高等优点，且原料来源丰富、价格低廉、环境友好，因此是一类很有发展潜力的动力锂离子电池负极材料.Fe 2O 3作为一种常温下最稳定的铁氧化合物，理论容量为1005mAh/g ，远高于石墨类材料的理论比容量，已经成为锂离子电池负极材料的一个研究热点.近年来，石墨烯由于其高的电传导性，大的比表面积，良好的化学稳定性和柔韧性而被尝试用于与活性锂离子电池负极材料复合，提升材料的电化学性能.比如，Cui Y [2]课题组在溶剂热条件下两步法得到Mn 3O 4与石墨烯的复合材料，改善了Mn 3O 4的比容量和循环性能.Co 3O 4，Fe 3O 4等金属氧化物材料与石墨烯复合也有被研究，本课题组在石墨烯和金属氧化物材料复合方面也做了大量的工作[3].本文通过水热法一步合成Fe 2O 3/石墨烯纳米复合材料，并研究了其电化学性能，合成过程中采用三乙烯二胺提供反应的碱性环境，并控制Fe 2O 3的粒子生长.1 实验 1.1试剂和仪器 三乙烯二胺（C 6H 12N 2）；无水三氯化铁（FeCl 3）；石墨；硝酸钠（NaNO 3）；浓硫酸（H 2SO 4）；高锰酸钾（KMnO 4）；双氧水（H 2O 2）和盐酸（HCl ），以上试剂均为分析纯.实验用水为去离子水.日本理学H-600型透射电子显微镜；日本理学D/max2200PC 型X 射线衍射仪；德国Bruker Vector 22红外光谱仪；日本JEOL-2000CX 透射电镜；美国Thermo Scientific Escalab 250Xi 光电子能谱仪；LAND 电池
高分子_石墨烯纳米复合材料研究进展
高分子／石墨烯纳米复合材料研究进展 高秋菊１，夏绍灵１，２＊ ，邹文俊１，彭 进１，曹少魁２ （１．河南工业大学材料科学与工程学院，郑州 ４５０００１；２．郑州大学材料科学与工程学院，郑州 ４５００５２ ）收稿：２０１２－０１－０９；修回：２０１２－０４－ ２４；基金项目：郑州科技攻关项目（０９１０ＳＧＹＧ２３２５８－ １）；作者简介：高秋菊（１９８４—），女，硕士研究生，主要从事高分子复合材料的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｇａｏｑｉｕｊ ｕ２００８＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｍ．ｃｎ；＊通讯联系人，Ｔｅｌ：０３７１－６７７５８７２２；Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈａｏｌｉｎｇ ＿ｘｉａ＠ｈａｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ． 摘要： 石墨烯以其优异的力学、光学、电学和热学性能，得到日益广泛的关注和研究。本文介绍了石墨烯的结构、性能和特点，并对石墨烯的改性方法进行了概括。本文着重综述了高分子／石墨烯纳米复合材料的研究现状和进展，并介绍了高分子／石墨烯纳米复合材料的三种制备方法，即原位插层聚合法、溶液插层法和熔融插层法。此外，还对高分子／石墨烯纳米复合材料的应用前景进行了展望，并对石墨烯复合材料研究存在的问题和未来的研究方向进行了讨论。 关键词：石墨烯；高分子；纳米复合材料；研究进展 引言 石墨烯是以ｓｐ２ 杂化连接的碳原子层构成的二维材料， 其厚度仅为一个碳原子层的厚度。这种“只有一层碳原子厚的碳薄片”，被公认为目前世界上已知的最薄、最坚硬、最有韧性的新型材料。石墨烯具 有超高的强度，碳原子间的强大作用力使其成为目前已知力学强度最高的材料。石墨烯比钻石还坚硬， 强度比世界上最好的钢铁还高１００倍［１］ 。石墨烯还具有特殊的电光热特性， 包括室温下高速的电子迁移率、 半整数量子霍尔效应、自旋轨道交互作用、高理论比表面积、高热导率和高模量、高强度，被认为在单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件、功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广泛 的应用前景［ ２］ 。石墨烯是一种疏松物质，在高分子基体中易团聚，而且石墨烯本身不亲油、不亲水，在一定程度上也限制了石墨烯与高分子化合物的复合，尤其是纳米复合。因而，很多学者对石墨烯的改性进行了大量的研究，以提高石墨烯和高分子基体的亲和性，从而得到优异的复合效应。 １ 石墨烯的改性方法 １．１ 化学改性石墨烯 该方法基于改性Ｈｕｍｍｅｒｓ法［３］ 。首先，由天然石墨制得石墨氧化物， 再通过几种化学方法获得可溶性石墨烯。其化学方法包括：氧化石墨在稳定介质中的还原［４］、通过羧基酰胺化的共价改性［５］ 、还原氧化石墨烯的非共价功能化［ ６］、环氧基的亲核取代［７］、重氮基盐的耦合［８］ 等。此外，还出现了对石墨烯的氨基化［９］、酯化［１０］、异氰酸酯［１１］ 改性等。用化学功能化的方法对石墨烯进行改性，不仅可以提高其溶解性 和加工性能，还可以增强有机高分子间的相互作用。１．２ 电化学改性石墨烯 利用离子液体对石墨烯进行电化学改性已见报道［１２］ 。用电化学的方法，使石墨变成用化学改性石 墨烯的胶体悬浮体。石墨棒作为阴极，浸于水和咪唑离子液的相分离混合物中。以１０～２０Ｖ的恒定电 · ７８· 第９期 高 分 子 通 报
石墨烯及其纳米复合材料发展.
河北工业大学 材料科学与工程学院 石墨烯及其纳米复合材料发展概况 专业金属材料 班级材料116 学号111899 姓名李浩槊 2015年01月05日
摘要 自从2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，石墨烯因其优异的力学、电学和热学性能已经成为备受瞩目的研究热点。 石墨烯的碳原子排列与石墨的单原子层雷同，是碳原子以sp2混成轨域呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想像为由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网。石墨烯是世上最薄也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W/（m·K），高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2 /（V·s），又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板，甚至是太阳能电池。 石墨烯的结构非常稳定，石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。 但是，因为石墨烯片层之间存在很强的范德华力，导致其很容易堆积团聚，在一般溶剂中的分散性很差，所以其应用领域受到了限制。本文通过收集、查阅多篇有关石墨烯研究的论文，分析、整理了石墨烯及其纳米复合材料的制备技术发展及其应用的相关知识、理论。 关键词：石墨烯纳米材料制备复合材料
石墨烯纳米带的制备及其应用
石墨烯纳米带的制备及其应用： [1]于璇,刘一,叶雨萌,肖胜雄.石墨烯纳米带的制备方法[J].上海师范大学学报(自然科学版),2018,47(05):539-551+508. 石墨烯是一种二维大平面结构, 为了维持其自身的稳定, 很容易产生皱褶、起伏等结构缺陷.因此, 近年来研究者们开始着重研究石墨烯不同形态的衍生物.其中, 石墨烯纳米带(GNRs) 成为继CNTs之后被广泛关注的一类准一维碳基纳米材料.GNRs是指宽度小于50 nm的石墨烯条带, 其理论模型最初于1996年由FUJITA等[3,4,5]提出, 以检查石墨烯中的边缘和纳米级尺寸效应.由于其具有高载流子迁移率, 石墨烯也被公认为是纳米电子学未来最有应用前景的材料之一.尽管如此, 在纳米电子学中利用石墨烯的最大挑战之一就是其缺乏足够大的带隙[6].因为没有带隙, 则难以关闭石墨烯场效应晶体管(FETs) , 导致较小的开关比, 所以石墨烯不能直接应用于晶体管.要想在打开石墨烯带隙的同时保证其载流子迁移率不下降, 最好的办法就是将石墨烯裁剪成宽度较小的GNRs.当材料的尺寸变得等于材料中电子运动的特征长度时, 材料的性质在很大程度上取决于其尺寸和形状.GNRs结构引起的量子限域可以引入相当大的带隙, 使得GNRs可以应用于纳米电子学中.虽然GNRs不具有石墨烯那样易于器件化的平面结构, 但它继承了石墨烯的许多优异性质, 且由于GNRs特殊的边缘限域效应, 从而使其具有比石墨烯更灵活的可调节性质和更大的实用价值. 1.1 自上而下的制备方法 到目前为止, 人们对石墨烯的制备方法进行了各种研究, 取得了很多进展, 其基本思路可以分为两种:一种是以天然石墨为原料, 从大到小剥离得到单层的石墨烯材料;另一种是从碳原子出发, 从小到大合成GNRs.但如何大批量的制备高质量石墨烯, 仍然是学术界急需解决的问题. 自上而下的方法是目前较成熟的方法之一, 该方法是把大的GNRs、石墨烯晶体、CNTs 等通过一系列的方法变成所需尺寸的纳米带.这种方法不能提供均匀的超窄带宽度和原子级精确边缘, 但是相比于自下而上的制备方法可以大规模的合成GNRs.如图4所示, GNRs的制备方法可以简单总结为几种[12]: (a) 多壁碳纳米管(MWCNTs) 的嵌入-剥离方法, 包括在液态NH3和Li中进行处理, 以及随后使用HCl和热处理的剥离方法; (b) 化学途径方法, 涉及可能破坏碳-碳键的酸反应, 例如硫酸(H2SO4) 和高锰酸钾(KMnO4) 作为氧化剂; (c) 催化方法, 其中金属纳米粒子像剪刀一样纵向“切割”CNTs; (d) 电学方法, 让电流通过CNTs; (e) 物理化学方法, 将CNTs嵌入聚合物基质中, 然后进行Ar等离子体处理, 得到的结构是展开的碳纳米管, 如图4 (f) 所示, 进一步得到GNRs.下面将具体从解卷CNTs法、催化反应解离石墨烯法和石墨烯刻蚀法等方法详细介绍如何制GNRs. 1.1.1 解卷CNTs法 由于GNRs在结构上与CNTs相关, CNTs可以被视为卷起的GNRs, 因此可以通过纵向拉开CNTs来合成GNRs.而解卷CNTs的方法多种多样, 目前比较成熟的就是将CNTs通过一定的方式变成GNRs.解卷CNTs是利用外界作用将管状CNTs切割成带状GNRs的方法.该方法工艺简单、成本低廉, 并且所得GNRs尺寸均一、边缘平整、缺陷低, 因此在大规模制备高质量GNRs领域呈现具体广阔前景.CNTs是圆柱形碳同素异形体, 有明确且可控的直径, 这使得它们成为精确尺寸GNRs的合适前体. KOSYNKIN等[14]报道了一种基于溶液的氧化工艺以打开MWCNTs.他们首先将MWCNTs悬浮在浓H2SO4中, 然后用KMnO4处理, 将混合物在室温下搅拌1 h, 然后在55~70℃下再加热1 h.该过程完成之后, 纳米带的边缘和表面上都会出现含氧物质, 例如环氧
石墨烯结构
关于材料破坏方式 材料破坏是一种材料疲劳后的结果。 人类所知的所有材料形形色色千奇百怪，从各个方面可以分类成各种不同的种类。比如：固体、液体、液晶体；固体、乳浊液、清浊液、液体；金属、非金属；诸如此类的高分子材料，纳米材料，有机材料，无机材料，生物材料，非生物材料 作为材料科学，材料的物理性质按照性质大体分为韧性材料、脆性材料；材料学上，人们用几个特定的物理量来定义显示材料的各项性能指标，如：弹性模量、泊松比、密度、屈服模量、剪切模量、摩擦系数、膨胀系数、热应变、阻尼系数、比热容、热焓等等。然后进行一定的理想假设根据材料的具体特性和结构得到比较符合实际的理想材料模型，比如，双线性随动强化模型、双线性等向强化模型、多线性随动强化模型、多线性等向强化模型；材料结构性质性质模型，比如，杆件、梁、壳、体、管道、弹簧。 在宏观上，材料发生破坏的原因大体上归结为四个破坏准则。在微观上的破坏归结为共价键或者其他的键得到能量断裂从而发生破坏。本篇文章主要从微观入手一直到宏观结束，构想材料的破坏历程顺序。 目前来讲，构成物质的最基本粒子是夸克（如果考虑反物质会存在反夸克，此不赘述）。夸克构成质子、电子、中子。质子、电子、中子构成原子。原子组成单质物质以及分子物质。物质分为晶体、非晶体、液晶体。对于晶体大体分为离子晶体、分子晶体、原子晶体、金属晶体。晶体的粒子规则整齐地排列。 离子晶体之间存在较强的离子键，离子晶体的硬度比较大、难于压缩；分子晶体存在分子之间作用力（范德华力），一般来说分子量越大范德华力越大。但是分子间的作用力比起化学键弱得多。但是有些氢化物（HF、冰、氨）通过氢键的作用，发生破坏的能量就要消耗的多一些；原子晶体（二氧化硅、金刚石）通过共价键结合生成空间规则的网状结构具有非常大的硬度；金属晶体（除汞以外）中，金属原子好像许多硬球一层一层紧密的堆积着，原子周围有许多的电子围绕。金属离子与自由电子存在较强作用。金属存在不同程度的延展性。 石墨晶体(下图左)是一种层状结构，每层原子是整六边形的碳原子排列而成。层与层之间以范德华力结合。 对于单层石墨晶体就成为石墨烯(上图右)。石墨烯是以三个碳原子SP2杂化而成的正六边形二维结构。剩余一个电子与其他电子形成类似于骈苯的大π键。如此结构造就了石墨烯当前最强的度（111Gpa抗压、0.5tpa的弹性模量）。 对于材料破坏的大体过程大致可分为：键长变化、分子（原子）滑移、共价键重组、断裂四个阶段。不同属性的材料有着不同的过程。比如钢，在受到外拉力作用时，金属晶体内部原子核与电子之间的距离在平行与拉力方向加长，库仑力减小。去掉外力，在库伦力下重新回到原来位置。当某两个原子之间的距离增加到一定距离而其中一个与另外一个的距离逐渐逼近时，原子就会滑落到新的位置达到平衡，即原子滑移。材料不断承受外力载荷下不断滑移，在材料面积较小的部分原子滑移的速度快，从而在滑移过程中原子试图以滑移产生位移来满足外力。有些高分子合成材料(如橡胶)受到外力是的第一反应是发生翘曲。过程如下：
高分子石墨烯纳米复合材料的前沿与趋势
石墨烯聚合物纳米复合材料的前沿与趋势 聚合物与其他塑料结合形成混纺纤维，与滑石粉及云母混合形成填充系统，和与其他非均质加固物进行模型挤压生产复合材料和杂化材料。这种简单的“混合搭配”方法使得塑料工程师们能够利用聚合物团生产一系列能够控制极端条件的有用的材料。在这种方法中最后加入的事石墨烯------人们早就了解到它的存在但是知道2004年才被制备与鉴定出的碳单原子层。英国曼彻斯特大学的Andre K.Geim和Konstantin S.Novoselov因为分离出碳单原子层而被授予诺贝尔物理学奖。他们的成就导致了聚合物纳米材料的蓝图发生了变化。人们已经长期熟知碳基材料，像金刚石，六方碳和石墨烯。但是聚合物纳米材料研究团体重新燃起的热情主要由于石墨烯可与塑料结合的特性以及它来自于廉价的先驱体。石墨烯的性价比优势在纳米复合材料、镀膜加工、传感器和存储装置的应用上正挑战着碳纳米管。接着，这些只能被想象出来的应用将会出现。事实上，Andre Geim说过“石墨烯对于它的名字来说就是一种拥有最佳性能的非凡的物质。”这能够在目前大量发表的文献中可以看出。石墨烯为什么能够这样引起人们的兴趣呢？本篇综述尝试去处理在石墨烯纳米复合材料新兴潮流中所产生的这类问题。这个工作的范围被石墨烯聚合物纳米复合材料（GPNC）研究员提出期望的发展潜力进行了拓展。 神奇的石墨烯 石墨烯被频繁引用的性能是它的电子传输能力。这意味着一个电子可以在其中不被散射或无障碍地通行。石墨烯的电子迁移率可达到20000cm2/Vs，比硅晶体管高一个数量级。一片最近的综述表明，以改良样品制备的石墨烯，电子迁移率甚至可以超过25000cm2/Vs。石墨烯是否缺少禁带以及大量合成纯石墨烯是否可行只有将来的研究可以解释。目前，非凡的电子传导性能使得石墨烯居于各类物质之首。所以，利用石墨烯代替硅作为基质的可能性将指日可待。虽然石墨烯的电子传导能力要比铜高得多，但是其密度只有铜的1/5。文献中大量记载了石墨烯的电子传导性能极其影响方面的细节。 由于它固有的特性人们开始对它在纳米复合材料的应用产生了兴趣。据预测，一个单层无缺陷的石墨烯薄膜的抗拉强度要比其他任何物质都要大。事实上，James Hone’s小组已经用原子力显微镜研究了独立的单层石墨烯薄膜的断裂强度。他们测得的平均断裂力为1700nN。他们还发现石墨烯这种物质可以抵挡超高的应力（约25%）。这些测量值使得这个团队计算出无缺陷石墨烯薄片的内在强度为45Nm-1。这儿的内在强度被规定为无缺陷的纯物质在断裂之前所能承受的最大应力。石墨烯如此卓越的是由于它相当于1.0Tpa的杨氏模量。在其他的特性中Paul McEuen和同事们只有一个原子厚度的石墨烯薄膜即可隔绝气体，包括氦气。即石墨烯在实际应用中可作为密闭的微室。石墨烯所表现出的热传导性能要比铜高出很多倍。这就意味着石墨烯能够很容易地进行散热。最近对大块石墨烯薄膜的研究表明其热传导系数是600W/(m.K)。石墨烯另外的一个特性是其具有高的比表面积，计算值为2630m2g-1，而碳纳米管仅为1315m2g-1，这使得石墨烯在储能装置应用上成为一个候选材料。Rod Ruoff’s小组通过改性的石墨烯演示了其具有的超高电容性能。对石墨烯的新奇属性的详细描述随处可见石墨烯与碳纳米管相比有一个截然相反的属性是其不含杂质（不含金属），这对构建可靠的传感器和储能装置来说是一个重要的优势。，更进一步，由于它形状与结构，石墨烯或许有更低的毒性，这也成为目前研究的主题。 独立的纳米材料的这些性质使得物理学家，化学家，和材料学家，不论作为理论学家还是实验学家，都为石墨烯的潜力而感到振奋。然而，最重要的问题是去区分炒作还是现实。
石墨烯纳米带场效应管
石墨烯纳米带场效应管原理 微电子与固体电子学专业 学生潘立丁S111411 指导教师石瑞英摘要：由于石墨烯的导带与价带之间没有能隙，做成晶体管器件时，很难实现开关特性，而且若要运用于现在普遍使用的逻辑电路，其金属性也是一个巨大的难题。如何在石墨烯中引入能隙，成为了石墨烯晶体管器件制造的关键。本文主要关注的石墨烯纳米带场效应管，通过对肖特基势垒石墨烯纳米带场效应管和金属氧化物半导体石墨烯纳米带场效应管这两种结构进行对比和分析来了解其主要特性。 关键词：石墨烯纳米带场效应管肖特基势垒 Abstract：Because there is no energy gap in graphene，it is very difficult to achieve on-off characteristic while use it to make transistors, and it is metallic behavior also have been a big problem if we want to use it in logical circuits. How to get an energy gap in grapheme has become the key point of the fabrication of grapheme transistors. This paper focus on graphene nanoribbon FETs, the comparison of two structures (GNR SBFET and GNR MOSFET) is used to analyze the main behaviors of graphene nanoribbon FETs. Key words：graphene nanoribbon field-effect-transistor schottky barrier 1、引言 石墨烯[1]（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。2004年，石墨烯被成功地从石墨中分离出来。石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000 cm2/V·s，又比碳纳米管或硅晶体迁移率高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子传输的速度极快，因此被期待为可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或电晶体的材料。 2、石墨烯纳米带基本结构 目前已知可以在石墨烯中引入能隙的手段主要有：(1) 利用对称性破缺场或相互作用等使朗道能级发生劈裂，在导带与价带之间引入能隙。这主要通过掺杂、外加电场、化学势场等方式在双层石墨烯中引入对称破缺，实现人工调制能隙。 (2) 利用量子陷阱效应和边缘效应，通过形成石墨烯纳米结构(如纳米带)引入能
基于石墨烯的复合纳米材料在生物传感器中的应用
基于石墨烯的复合纳米材料在生物传感器中的应用 摘要：石墨烯作为新型材料在化学、材料等科学领域得到了极大的关注。因其优良的导电性和生物相容性，被广泛的运用到生物传感器的研究中。由于纳米级的石墨烯在水溶液中极易聚沉，所以在使用石墨烯时就需要对其修饰。对石墨烯的修饰包括共价键修饰、非共价键修饰和金属颗粒及金属离子修饰。添加各种修饰过后的石墨烯能增加的灵敏度和降低传感器的检测线。 关键词：石墨烯修饰生物传感器 1、引言 最近，石墨已成为一个迅速崛起的明星在材料科学领域。它的问世引起了全世界的研究热潮。自2004年英国曼彻斯特大学Geim团队首次从石墨中剥离出石墨烯以来，人们便对这种具有独特物化性质的纳米材料寄予厚望。此后关于石墨烯的研究不断出现重要进展，并在材料、化学、微电子、量子物理及生物等众多领域表现出许多令人振奋的性能和潜在的应用前景，已成为当前研究热点之一。石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬；作为单质，它在室温下传递电子的速度比已知导体都快。石墨烯是一个二维（平面）晶体，组成单层碳原子排列在蜂巢网络与六元环，为二维碳结构。在概念上石墨烯可以看作是一无限延长二维芳香族大分子。 石墨烯在原子尺度上结构非常特殊。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，也就保持了结构稳定。这种稳定的晶格结构使碳原子具有优秀的导电性。而且石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯中的电子受到的干扰也非常小。[1,2] 因此, 石墨烯奇特的物理、化学性质, 也激起了物理、化学、材料等领域科学家极大的兴趣。这篇论文主要介绍了基于石墨烯的纳米材料在电化学生物传感器中的运用。 2、石墨烯的修饰 然而，正如其它的同素异形体的新发现如碳富勒烯和碳纳米管（CNTs），材料可用性和加工一直是限制着石墨烯的应用。对于石墨烯，最关键的挑战，在材料合成与加工的中克服石墨层之间强的π-π型层堆叠剥离能，这种高凝聚力范德
石墨烯结构的分析
石墨烯 石墨烯之所以被广泛应用，是由其自身的内部结构决定的。 石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维碳纳米材料。 石墨烯内部碳原子的排列方式与石墨单原子层一样以sp2杂化轨道成键，并有如下的特点：碳原子有4个价电子，其中3个电子生成sp2键，即每个碳原子都贡献一个位于pz轨道上的未成键电子，近邻原子的pz轨道与平面成垂直方向可形成π键，新形成的π键呈半填满状态。研究证实，石墨烯中碳原子的配位数为3，每两个相邻碳原子间的键长为 1.42×10-10米，键与键之间的夹角为120°。除了σ键与其他碳原子链接成六角环的蜂窝式层状结构外，每个碳原子的垂直于层平面的pz轨道可以形成贯穿全层的多原子的大π键（与苯环类似），因而具有优良的导电和光学性能。 在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，而传统的半导体和导体，例如硅和铜远没有石墨烯表现得好。由于电子和原子的碰撞，传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量，目前一般的电脑芯片以这种方式浪费了70%-80%的电能，石墨烯则不同，它的电子能量不会被损耗，这使它具有了优良导热特性。 超级电池采用单原子厚度的碳层构成，这项技术能够在最短时间内对手机和汽车快速充电，能够很容易制造并整合成为器件，未来有望制造更小的手机。 石墨烯储能和放电过程中不发生电池反应，只是将电子储存和释放，是物理变化。由此，应当称其为电容，而不是电池。目前，石墨烯应用于电池上的研究基本上有3个方向： 一是以石墨烯形成全新体系电池。就是说以石墨烯制造一个全新体系的电池，在性能上是颠覆性的，称作“超级电池”。使用这种材料制作的电池，能量密度超过600wh/kg，是目前动力锂电池的5倍，一次充电时间只需8分钟，可行驶1000公里；电池重量只有锂离子电池的一半，体积也会大幅缩小，减轻使用该电池汽车的自身重量；电池的使用寿命更长，是传统氢化电池的4倍，锂电池的2倍；其成本将比目前锂电池降低77%。这些物理参数都符合超级电池的要求。 二是以石墨烯强化现有电池性能。将石墨烯运用到现有电池上，改进提升锂电池、太阳能电池等电池性能，力图达到超级电池的性能。对于那些已投巨资建
掺杂armchair石墨烯纳米带电子结构和输运性质的研究
第39卷第4期2011年8月 福州大学学报（自然科学版） Journal of Fuzhou University（Natural Science Edition） Vol．39No．4 Aug．2011 DOI：CNKI：35－1117/N．20110705．1543．017文章编号：1000－2243（2011）04－0533－06掺杂armchair石墨烯纳米带电子结构和输运性质的研究 安丽萍1，2，刘念华1，刘春梅1，刘正方1 （1．南昌大学高等研究院，江西南昌330031；2．燕山大学物理系，河北秦皇岛066004） 摘要：基于第一性原理计算，研究了B/N掺杂对宽度为N a =3p+2=11的扶手椅（Armchair）型石墨烯纳米带电子结构和输运性质的影响．杂质的存在使得扶手椅型石墨烯纳米带的能隙增大，并在能隙中出现了一条局 域的杂质态能带，杂质的位置也影响其能带结构．另外，杂质的存在还引起输运过程中的电子共振散射，其特 点与掺杂种类、掺杂位置和结构对称性有关． 关键词：扶手椅型石墨烯纳米带；杂掺；电子结构；输运性质 中图分类号：O472文献标识码：A The study of the electronic structure and transport properties of armchair graphene nanoribbons with dopant AN Li－ping1，2，LIU Nian－hua1，LIU Chun－mei1，LIU Zheng－fang1 （1．Institute for Advanced Study，Nanchang University，Nanchang，Jiangxi330031，China； 2．Department of Physics，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei066004，China） Abstract：The electronic structure and transport properties of armchair graphene nanoribbons（AG-NRs）with B/N dopant are studied by using the first－principles calculation．It is shown that because of the existence of the dopant，there is an impurity band in the energy gap of armchair graphene nanor-ibbons and their energy gaps increase．The band structures depend also on the position of the dopant． In addition，the existence of the dopant yields resonant backscattering in the charge transport，whose features are strongly dependent on the types，the position of the dopant and the symmetry of the struc-ture． Keywords：armchair graphene nanoribbons；dopant；electronic structure；transport properties 单层石墨片的成功剥离和石墨烯纳米带（graphene nanoribbon）的成功制备引起了人们对此类碳基纳米 材料研究的极大热情［1－9］．这种石墨烯纳米带具有类似碳纳米管（CNTs）的结构和量子限域效应，是潜在 的新一代微纳电子学的候选基础材料之一．石墨烯纳米带是具有一定宽度、无限长度的准一维带状石墨 烯，按照边缘的形状，可以分为锯齿型石墨烯带（zigzag－graphene nanoribbon，ZGNR）和扶手椅型石墨烯 带（armchair－graphene nanoribbon，AGNR）．石墨烯纳米带的特性强烈依赖于它们的几何构型，通过控制 几何构型可将其调制成金属或能隙宽度依赖于纳米带宽度的半导体［10］，这在能带工程中非常有用． 另外，石墨片和石墨烯纳米带在最初的制备过程中不可避免地产生各种缺陷，如拓扑缺陷、空位、吸 附原子和替位式杂质，这些缺陷的存在会影响其结构和性能［5－9，11－20］．类似于传统半导体，如在锯齿型石 墨烯带中掺B/N，将产生受主（施主）杂质能级，实现金属和半导体的转变，而且随着杂质原子在纳米带 中位置的不同，将会发生受主与施主的转变［13］．另外，由石墨烯裁制而成的微纳电子器件一般都是在有 限偏压下工作，有必要研究偏压下石墨烯纳米带的电子输运情况．本工作旨在探讨宽度为N a=3p+2=11 的扶手椅型单层石墨烯纳米带的掺杂效应，利用第一性原理方法研究B/N掺杂对扶手椅型石墨烯纳米带 电子结构和输运性质的影响． 收稿日期：2010－10－27 通讯作者：安丽萍（1975－），讲师，E－mail：fox781209@sina．com．cn 基金项目：国家自然科学基金资助项目（10832005）
石墨烯的特殊性能
石墨烯的特殊性能 摘要：石墨烯是2004年才发现的一种有奇异性能的新型材料，它是由碳原子组成的二维六角点阵结构，具有单一原子层或几个原子层厚。石墨烯因其具有独特的电子能带结构和具相对论电子学特性，是迄今为止人类发现的最理想的二维电子系统，且具有丰富而新奇的物理特性。本文详细介绍了石墨烯的结构，特殊性能以及对石墨烯原胞进行了5×5×1的扩展，通过密度泛函理论 ( DFT) 和广义梯度近似( GGA)对50个碳原子的本征石墨烯超晶胞进行电子结构计算。 关键字：石墨烯，结构，特殊性能，超晶胞，电子结构计算 一、引言 石墨烯是2004年以来发现的新型电子材料石墨烯是sp2杂化碳原子形成的厚度仅为单层原子的排列成蜂窝状六角平面晶体。在单层石墨烯中，碳碳键长为0.142nm，厚度只有0.334nm。石墨烯是构成下列碳同素异型体的基本单元：例如：石墨，碳纳米管和富勒烯。石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。石墨烯在电子和光电器件领域有着重要和广阔的应用前景正因为如此，石墨烯的两位发现者获得了2010年的诺贝尔物理学奖。
石墨烯是一种没有能隙的半导体，具有比硅高100倍的载流子迁移率，在室温下具有微米级自由程和大的相干长度，因此石墨烯是纳米电路的理想材料，石墨烯具有良好的导热性[3000W／(m〃K)]、高强度(110GPa)和超大的比表面积 (2630mZ／g)。这些优异的性能使得石墨烯在纳米电子器件、气体传感器、能量存储及 复合材料等领域有光明的应用前景 二、石墨烯的特殊性能 石墨烯是一种半金属或者零带隙二维材料，在靠近布里渊区6个角处的低能区，其E-k色散关系是线性的 ,因而电子或空穴的有效质量为零，这里的电子或空穴是相对论粒子，可以用自旋为1／2粒子的狄拉克方程来描述。 石墨烯的电子迁移率实验测量值超过15000cm／(V〃s)(载流子浓度n≈10 cm )，在10～100K范围内，迁移率几乎与温度无关，说明石墨烯中的主要散射机制是缺陷散射，因此，可以通过提高石墨烯的完整性来增加其迁移率，长波的声学声子散射使得石墨烯的室温迁移率大约为200000cm ／(V〃s)，其相应的电阻率为lO -6 〃cm，