层间共价键和拉伸应变对双层石墨烯纳米带热导率的调控

石墨烯的层间键合是一种石墨烯的改性方式,能够改变石墨烯的机械和导电等性能,同时也会对其热学性质产生影响.本文采用非平衡分子动力学方法,以层间局部碳原子sp^(3)杂化(层间形成共价键)的双层石墨烯纳米带为研究对象,研究了层间共价键呈链状分布时,其浓度、角度以及拉伸应变对双层石墨烯纳米带热导率的调控,并通过声子态密度对具有层间共价键的双层石墨烯纳米带热导率变化的原因进行机理分析.研究发现:双层石墨烯纳米带的热导率随层间共价键浓度的增加而减小,且依赖于共价键链的分布角度.随着层间共价键浓度的增加,层间共价键链与热流方向平行时,双层石墨烯纳米带热导率下降的速率最慢,层间共价键链与热流方向呈现一定角度时,热导率下降的速率变快,且角度越大,热导率下降的速率越快.此外研究还发现,拉伸应变会导致具有层间共价键的双层石墨烯纳米带的热导率进一步降低.研究结果表明,可以通过层间键合和拉伸应变共同对双层石墨烯纳米带的热导率进行调控.这些结论对石墨烯基纳米器件的设计及热管控具有重要的意义.

过渡金属原子链对双层石墨烯纳米带的电磁性质的调控

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,系统地研究了过渡金属(TM=V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni)原子链对AB型双层石墨烯纳米带(BGR)结构和电磁性质的调控规律。所有吸附体系都能够形成稳定结构[GTMG]。对于不同TM,V吸附BGR体系最为稳定。对于原子链吸附在BGR不同位置,边缘吸附时稳定性最高。电荷从TM原子链转移到近邻碳原子,形成的离子键有助于增强复合体系的稳定性。TM原子链吸附在BGR不同位置上,导致了不同的电子结构和磁性。形成的复合体系中[GCrG]2、[GCrG]4、[GMnG]2、[GMnG]4、[GFeG]1和[GCoG]2体系具有半金属特性,其他体系具有半导体或金属性质。Ni原子吸附体系的磁矩为零。V原子链吸附在纳米带最边缘位置时磁矩较小,其他位置的磁矩均为零。复合体系[GTMG](Mn、Fe、Cr、Co)的磁性较强且其磁矩大小按照Mn、Fe、Cr、Co的顺序降低,原子链中两个不同位置(A类和B类)原子的磁矩呈现明显的边缘效应。研究结果表明,结构稳定性、电子性质和磁性均与双层石墨烯纳米带的边缘效应有关,这种边缘效应带来了丰富的电磁性质,能够扩展石墨烯的应用范围。

电场调控双层石墨烯纳米带的电子结构和光学性质

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了外加电场作用下双层AA堆垛的Armchair边缘石墨烯纳米带 (BAGNRs )的电子结构和光学性质. BAGNRs具有半导体特性,其带隙随带宽 (宽度为4~12个碳原子 )的增加而振荡性减小. 当施加电场后,BAGNRs的带隙随着电场强度的增加而逐渐减小,带隙越大对电场值的变化越敏感. 当电场值为0.5 V/ 时,所有BAGNRs的带隙都为零. BAGNRs具有各向异性的光学性质,其介电函数在垂直极化方向为半导体特性,而在平行极化方向为金属特性. 在外加电场的作用下,BAGNRs的介电函数、吸收系数、折射系数、反射系数、电子能量损失系数和光电导率,其峰值向低能量区域移动,即产生红移现象. 电场增强了能带间的跃迁几率. 纳米带宽度对这些光学性质参数具有不同程度的影响. 研究结果解释了电场调控BAGNRs光学性质的规律和微观机理.

缺陷对双层扶手型石墨烯纳米带能隙的影响

双层扶手型石墨烯纳米带的带宽既能打开能隙也能关闭能隙,但带宽难以在实验中精准调控.在紧束缚模型下,结合格林函数理论,证实线缺陷能够调控同一带宽的双层扶手型石墨烯纳米带能隙.本文计算了双层扶手型石墨烯纳米带在不同缺陷下的能带结构、格点波函数和输运性质.数值计算表明,带宽N=3n+2(n为整数)的金属带可被L≠3m(L为缺陷位置,m为整数)的线缺陷占位能打开能隙,一条A(B)原子线缺陷足以打开AB堆叠金属带能隙.带宽N≠3n+2的半导带可被L=3m的线缺陷占位能关闭能隙.仅增加带宽,也可关闭AA堆叠半导体带能隙,但不能关闭AB堆叠半导体能隙.缺陷的占位能可由栅压调控,这为设计双层石墨烯基量子器件提供了理论支持.

边缺陷诱导的双层锯齿型石墨烯纳米带能隙

双层锯齿型石墨烯纳米带无能隙,不利于设计石墨烯场效应晶体管,边界线缺陷可打开能隙,使双边占据格点波函数变为单边占据,为设计双层石墨烯纳米器件提供理论支持.本文利用紧束缚模型,计算了双层锯齿型石墨烯纳米带能谱和格点波函数.数值计算表明,边界线缺陷层间跃迁可打开AA堆叠能隙,边界线缺陷占位能可打开AB堆叠能隙.双层锯齿型石墨烯纳米带的弱局域化行为与单层不同,缺陷占位能和层间跃迁可分别使双边占据的波函数变为单边占据,适当的缺陷占位能可使电子在上层(或下层)呈现优势占据.利用非平衡格林函数方法,研究了两端口有限尺寸双层锯齿型石墨烯纳米带的电子输运,计算了有边界线缺陷时体系的局域态密度和透射概率.