Armchair型石墨纳米带的电子结构和输运性质

利用第一性原理的电子结构和输运性质计算方法,研究了扶手椅(armchair)型单层石墨纳米带(具有锯齿边缘)的电子结构和输运性质及其边缘空位缺陷效应.研究发现,完整边缘的扶手椅型石墨纳米带是典型的金属性纳米带,边缘空位缺陷的存在对扶手椅型纳米带能带结构有一定的影响,但并不彻底改变其金属性特征.

氧钝化石墨纳米带电子和光学性质的第一性原理

采用第一性原理方法，研究了氧原子钝化的扶手椅型石墨纳米带的结构、电磁特性和光学性质．氧原子钝化的石墨纳米带比氢原子钝化稳定，显示出金属性质．自旋极化计算的能带和态密度研究表明，该纳米带反铁磁态比铁磁态稳定，表现为反铁磁半导体特征．由于边沿钝化的氧原子的影响，该系统的介电函数有明显的红移，且第一个介电峰主要由最高价带贡献．介电函数、折射系数、吸收系数及能量损失等的峰值与电子跃迁吸收有关．

化学掺杂Armchair石墨纳米带的第一性原理研究

本文利用第一性原理研究了化学掺杂(N和B)对Armchair石墨纳米带(AGNR)电子性质的影响。结果发现:N和B原子有不同的最佳掺杂位置,掺杂使AGNR分别成为n型或p型半导体。纳米带宽度不同时,掺杂对AGNR电子结构如能级、能隙、轨道分布等有不同影响。

双层非等宽Armchair石墨纳米带的电子性质研究

制备所得的多层石墨纳米带各层可能具有不同的带宽。采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了非等宽双层Armchair石墨纳米带的电子性质。计算了体系总能和能隙随层间距的变换关系，并从静电势、前沿分子轨道布据等方面分析了该变化的物理机制。研究表明：体系的总能、能隙和电子态密度显著依赖于石墨纳米带的带宽、层间距和堆叠方式等；该双层体系的最佳层间距为0．328nm，而该体系能隙最小时的层间距为0．260nm，两者并不一致。

边界掺Be原子石墨纳米带的自旋输运性质研究

采用基于第一性原理和非平衡格林函数的输运计算方法,研究了4个原子宽度锯齿(zigzag)型纳米带在边界掺Be原子时对输运性质的影响.结果发现:石墨纳米带呈半导体特性,杂质原子抑制了附近原子的局域磁性,改变了完整纳米带的电子结构,2种自旋电子将表现出不同的透射情况,且在费米面附近尤为明显.通过计算散射区的分子自洽哈密顿量(MPSH)能谱,发现2种自旋电子能级不再简并,在外加偏压下纳米带产生自旋极化电流.同时,在偏压低于1.5 V时,其中1种自旋电子出现负微分电阻现象(NDR).

Rb吸附石墨烯纳米带电子性质和光学性质的研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法了计算了Rb、O和H吸附石墨烯纳米带的差分电荷密度、能带结构、分波态密度和介电函数,调制了石墨烯纳米带的电子性质和光学性质,给出了不同杂质影响材料光学特性的规律.结果表明本征石墨烯纳米带为n型直接带隙半导体且带隙值为0.639 eV;Rb原子吸附石墨烯纳米带之后变为n型简并直接带隙半导体,带隙值为0.494 eV;Rb和O吸附石墨烯纳米带变为p型简并直接带隙半导体,带隙值增加为0.996 eV;增加H吸附石墨烯纳米带后,半导体类型变为n型直接带隙半导体,且带隙变为0.299 eV,带隙值相对减小,更有利于半导体发光器件制备.吸附Rb、O和H原子后,石墨烯纳米带中电荷密度发生转移,导致C、Rb、O和H之间成键作用显著.吸附Rb之后,在费米能级附近由C-2p、Rb-5s贡献;增加O原子吸附之后,O-2p在费米能级附近贡献非常活跃,C-2p、Rb-5s和O-2p电子态之间强烈的杂化效应,促使费米能级附近的杂质能级分裂成能带;再增加H原子吸附之后,Rb-4p贡献发生蓝移,O-2p在费米能级附近贡献非常强,费米能级分裂出两条能带.Rb、O和H的吸附后,明显调制了石墨烯纳米带的光学性质.

石墨烯纳米带的制备技术及应用研究现状

石墨烯具有优异的力学、电学、光学、热学等物理性质,是当前新型材料的研究热点之一,被广泛应用在导电薄膜、储能元件、药物载体以及锂电池等领域。然而,石墨烯无带隙的特点限制其更广泛的应用,因此,通过技术手段打开石墨烯带隙成为学者们亟待解决的新问题。将石墨烯制成石墨烯纳米带(Graphene nanoribbons,GNRs)是打开其带隙的可行办法。因此,本文梳理了制备GNRs的不同方法,综述了其制备原理和研究进展,并对比了其优点和不足,提出了将不同方法的优点相互结合的复合制备方法,以实现可控、高效、高质量制备GNRs,最后介绍了GNRs在高性能传感器、场效应晶体管和光电探测器领域应用的研究进展和未来发展趋势。这对GNRs进一步应用在纳米器件中有一定的指导意义。

改性石墨烯纳米带/双马来酰亚胺复合材料的摩擦学性能

为了改善石墨烯与双马来酰亚胺(BMI)树脂的相容性,并使其在摩擦过程中快速形成高质量自润滑转移膜,用超支化聚硅氧烷(HBPSi)和Ni纳米粒子共同改性石墨烯纳米带(GNRs),制备了HBPSi/Ni/GNRs复合粒子,将其引入到BMI树脂中制备出HBPSi/Ni/GNRs/BMI复合材料。采用FTIR、SEM、TEM、摩擦磨损试验机及分子动力学模拟对复合粒子的结构、形貌及添加量和复合材料的摩擦学性能的影响进行了考察,并探究了其摩擦磨损机理。结果表明,HBPSi和Ni纳米粒子成功负载到GNRs表面上。与GNRs相比,HBPSi/Ni/GNRs复合粒子能够显著提升BMI复合材料的摩擦学性能。当HBPSi/Ni/GNRs复合粒子添加量(质量分数)为0.6%时,HBPSi/Ni/GNRs/BMI复合材料的摩擦系数和体积磨损率均降至最低,分别为0.18和1.9×10^(-6)mm^(3)/(N·m)。HBPSi/Ni/GNRs复合粒子与BMI树脂强的界面作用是导致其复合材料抗剪切能力提升的关键。

几何尺寸及缺陷对石墨炔纳米带热输运特性的影响

基于分子动力学模拟方法,对石墨炔纳米带(GYNR)的热输运特性进行了深入研究,重点探讨了几何尺寸、缺陷类型及缺陷的位置(水平方向和垂直方向、苯环与乙炔链)和排列方式等对声子热输运的影响规律,揭示并分析了其声子热输运调控机理。研究结果表明,理想GYNR的热导率仅为18.22 W/(m·K),且相比于石墨烯,GYNR随尺寸增大热导率仅升至21.37 W/(m·K),对几何尺寸依赖较小;对于缺陷类型,空位缺陷的存在相比于氮掺杂对热导率抑制更强,可低至9.19 W/(m·K);对于缺陷位置,位于苯环上或靠近纳米带边界时相比于炔链热导率更低;多个缺陷若以平行分布相比于三角形结构分布可获得更低的热导率,低于8.00 W/(m·K)。研究结果可以为石墨炔材料在纳米器件的热电领域开发、应用及调控等方面提供理论支持和参考。

线缺陷石墨烯纳米带的电输运研究

石墨烯的能带工程是当前凝聚态物理的热点问题,旨在费米能级处打开能隙.另外实验报道石墨烯存在多种线缺陷,但人们尚未讨论线缺陷与石墨烯能带工程间的关系.本文采用Landauer-Büttiker公式及格林函数方法,研究了三种4-8环线缺陷随机排列方式对石墨烯纳米带电输运的影响.计算结果发现:尽管4-8环线缺陷随机分布的石墨烯纳米带在费米能级处存在电子态,但该电子态为局域态且体系在费米能级处存在透射能隙,这是由线缺陷随机排列诱导产生结构无序进而引起的Anderson局域化现象.当线缺陷无序程度较低或纳米带宽度较窄时,石墨烯纳米带的透射能隙依赖4-8环线缺陷的随机排列方式;随着线缺陷无序程度的增强或纳米带宽度的增加,三种线缺陷石墨烯纳米带的透射能隙趋于一致.总之,4-8环线缺陷随机分布的石墨烯纳米带具有透射能隙,该能隙对线缺陷的排列方式、无序程度及纳米带宽度均表现稳健性.

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.

基于贝叶斯算法的5-7环缺陷石墨烯纳米带热电性能优化设计

由于结构巨大的自由度,缺陷石墨烯纳米带热电转换性能的优化设计是材料研究领域的难点之一.本文利用非平衡格林函数结合贝叶斯算法,对5-7环缺陷石墨烯纳米带热电性能进行了优化设计.研究结果表明,在搜寻具有高热电转换效率5-7环缺陷石墨烯纳米带的过程中,贝叶斯算法具备有效性和优越性.计算发现,利用贝叶斯算法能快速且准确地从32896个候选结构中搜索到具有最佳热电转换性能的唯一构型.即使在效率最低的一轮优化中,也仅需要计算1495个候选结构(约占所有候选结构的4.54%)即可寻找到最佳构型.研究还发现,在室温下的最佳构型5-7环缺陷石墨烯纳米带(长和宽分别为21.162nm和1.23 nm)的热电优值ZT (约1.13)较完美石墨烯纳米带(约0.14)提升了近一个量级.这主要归因于5-7环缺陷有效抑制了系统的电子热导率,使得功率因子的减弱作用和热导率的抑制作用(正效应)之间达到了最大平衡.研究结果为设计和制备具有优异热电转换效率的石墨烯纳米带热电器件提供了一种新的可行性方案.

零模超晶格类型对石墨烯纳米带金属性影响的密度泛函理论研究

通过在石墨烯纳米带(GNR)中引入一对跳跃参数相等的零模构建金属石墨烯纳米带模型,基于密度泛函理论计算了模型的电子特性。通过改变引入的零模类型(C-C、B-B、N-N、Al-Al和P-P)对其金属度进行调控。研究表明:一对N-N零模的引入可以极大地增加GNR的金属带宽,约为引入C-C型零模金属GNR金属带宽的两倍,为本征石墨烯金属带宽的10倍。零模类型影响GNR金属带宽的原因是,引入的零模类型使GNR中形成的五元环几何构型存在差异,影响其子晶格极化损失程度,从而调控其金属度。使用零模类型为N-N的GNR为基础模型,探究纳米带的宽度对GNR金属带宽的影响,结果表明:纳米带宽度的增加不利于金属带宽的拓展,带宽扩大到某一程度时,N-N零模键断裂,变为普通N掺杂型石墨烯。

石墨烯纳米带材料阻隔性能的研究与应用

石墨烯材料在被发现后,其良好的力学性能、导电导热性、阻隔性以及易获得性能使其得到快速的推广使用,将石墨烯切割成一定宽度的长条带状石墨烯纳米带后保留了这些优点,并且在此基础上衍生出其他优异性能。本研究主要介绍了石墨烯纳米带的常见制备方法:超声化学法、刻蚀法、有机合成法、化学气相沉淀法和切割碳纳米管法。以及关于石墨烯纳米带负载于热塑性聚氨酯等基材上后,通过氧气透过率的降低证实两种材料的结合使其阻隔性能充分发挥、相互补充的相关应用。

单空位缺陷对石墨纳米带电子结构和输运性质的影响

基于第一性原理电子结构和输运性质计算,研究了单空位缺陷对单层石墨纳米带(包括zigzag型和armchair型带)电子性质的影响.研究发现,单空位缺陷使石墨纳米带在费米面上出现一平直的缺陷态能带;单空位缺陷的引入使zigzag型半导体性的石墨纳米带变为金属性,这在能带工程中有重要的应用价值;奇数宽度的armchair型石墨纳米带表现出金属特性,有着很好的导电性能,同时,偶数宽度的armchair型石墨带虽有金属性的能带结构,但却有类似半导体的伏安特性;单空位缺陷使得奇数宽度的armchair石墨纳米带导电性能减弱,使得偶数宽度的armchair石墨纳米带导电性能明显增强.

Zigzag型石墨纳米带电子结构和输运性质的第一性原理研究

采用第一性原理电子结构和输运性质计算研究了zigzag型单层石墨纳米带(具有armchair边缘)的电子结构和输运性质及其边缘空位缺陷效应.研究发现,完整边缘的zigzag型石墨纳米带是具有一定能隙的半导体带,边缘空位缺陷的存在使得纳米带能隙变小,且缺陷浓度越大,能隙越小,并发生了半导体-金属转变.利用这些研究结果,将有助于在能带工程中实现其电子结构裁剪.

扶手椅型石墨纳米带的双空位缺陷效应研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理电子结构和输运性质计算,研究了扶手椅型石墨纳米带(具有锯齿边缘)的双空位缺陷效应.研究发现:双空位缺陷的存在并没有改变石墨纳米带的金属特性,但改变了费米面附近的能带结构.同时,双空位缺陷的取向对石墨纳米带的输运性质有很重要的影响.对于奇数宽度的纳米带,斜向双空位缺陷使得石墨带导电性能减弱,而垂直双空位能基本保留原有的线性伏安特性,导电性能降低较少;对于偶数宽度的纳米带,斜向双空位缺陷会使石墨带导电性能明显增强,而垂直双空位缺陷则具有完整石墨带的输运性质.

双空位缺陷石墨纳米带的电子结构和输运性质研究

基于第一原理电子结构和输运性质计算,研究了585双空位拓扑缺陷对锯齿(zigzag)型石墨纳米带(具有椅型(armchair)边)电子结构和输运性质的影响.研究发现,585双空位缺陷的存在使得锯齿型石墨纳米带的能隙增大,并在能隙中出现了一条局域于缺陷处的缺陷态能带,双空位缺陷的取向也影响其能带结构.另外,585双空位缺陷对能隙较小的锯齿型石墨纳米带输运性质的影响较大,而对能隙较大的锯齿型石墨纳米带影响很小,缺陷取向并不显著影响纳米带的输运性质.

B与N掺杂对单层石墨纳米带自旋极化输运的影响

通过第一性原理计算研究了具有锯齿状边沿并且具有反铁磁构型的单层石墨纳米带的自旋极化输运.研究发现,在中心散射区同一位置掺入单个B和N原子,尽管对整个体系磁矩的影响完全相同,但对两个自旋分量电流的影响却完全相反.掺B时,自旋向上的电流显著大于自旋向下的电流;而掺N时,自旋向下的电流显著大于自旋向上的电流.这是由于不管掺B还是掺N都将打破自旋简并,使得导带和价带中自旋向上的能级比自旋向下的能级更高.掺B引入空穴,使完全占据的价带变为部分占据,从而自旋向上的能级正好处于费米能级,使得电子透射能力更强、电流更大,而自旋向下的能级则离费米能级较远使电子透射的能力较弱.掺N则引入电子,使得原来全空的导带变为部分占据,从而费米能级穿过导带中自旋向下的能级,使得自旋向下的电子比自旋向上的电子透射能力更强.

氧化石墨烯纳米带/TPU复合材料薄膜制备及性能表征

采用氧化法将碳纳米管纵向切割成氧化石墨烯纳米带,利用溶液成形在涂膜机上制备氧化石墨烯纳米带/TPU复合材料薄膜。FT-IR、拉曼光谱、XRD、FE-SEM、TEM等测试表明,碳纳米管成功地被纵向切割成带状结构的氧化石墨烯纳米带。力学测试表明,当氧化石墨烯纳米带用量为2%(质量分数)时,复合材料薄膜弹性模量与拉伸强度相比TPU薄膜提高了160%与123%。氧气透过率测试表明当氧化石墨烯纳米带用量为2%(质量分数)时,复合材料薄膜氧气透过率降低77%,阻隔性能明显提高。