吸附缺陷对armchair型石墨烯纳米条带输运性质的影响

本文基于第一性原理研究了单个氢原子吸附缺陷对armchair型石墨烯纳米条带电子输运性质的影响。研究发现,吸附缺陷使armchair型石墨烯纳米条带在费米面附近的导电性有所降低,但透射能隙依然存在。缺陷对透射抑制的强弱与其吸附位置有关。在完整石墨烯纳米条带的布洛赫波函数分布几率较大处引入缺陷对电子输运的阻碍作用较大。对于布洛赫波函数分布相同的情况,吸附位置越靠近石墨烯纳米条带中心,则对电子输运的阻碍作用越大。

石墨烯纳米带的热输运性能研究

基于分子动力学模拟方法,研究了本征石墨烯纳米带的尺寸效应以及存在空位、N掺杂、B掺杂缺陷时,温度、缺陷浓度和不同缺陷类型对石墨烯纳米带热输运性能的综合影响,深入研究了石墨烯纳米带的声子热输运机理。结果表明:本征石墨烯纳米带的热导率在400K时为107.0W/(m·K),且均随长度和宽度的增加而增加。当缺陷和温度混合效应存在时,由于声子散射和高频声子的激发,使热导率均会随浓度和温度的增加而下降。同时,不同缺陷类型在同一温度下,空位缺陷在低浓度时对热导率影响较大,但在高浓度时掺杂缺陷影响显著。其中N掺杂的影响强于B掺杂,这是由于不同原子的质量不同造成的。研究结果有助于调控石墨烯热输运特性,可为微纳电子器件的高效散热提供理论指导。

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.

含单排线缺陷锯齿型石墨烯纳米带的电磁性质

基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了含单排线缺陷锯齿型石墨烯纳米带(ZGNR)的电磁性质,主要计算了该缺陷处于不同位置时的能带结构、透射谱、自旋极化电荷密度、总能以及布洛赫态.研究表明,含单排线缺陷的ZGNR和无缺陷的ZGNR在非磁性态和铁磁态下都为金属.虽然都为金属,但其呈金属性的成因有差异.在反铁磁态下,单排线缺陷越靠近ZGNR的边缘,对ZGNR电磁性质的影响越明显,缺陷由ZGNR对称轴线向边缘移动过程中,含单排线缺陷的ZGNR有一个半导体-半金属-金属的相变过程.虽然线缺陷靠近中线的ZGNR为半导体,但由于缺陷引入新的能带,导致含单排线缺陷的ZGNR的带隙小于无缺陷ZGNR的带隙.单排线缺陷紧邻边界时,含缺陷ZGNR最稳定;单排线缺陷位于次近邻边界位置时,含缺陷ZGNR最不稳定.在反铁磁态下,对单排线缺陷位于对称轴线的ZGNR施加适当的横向电场,可以实现半导体到半金属的转变.这些研究结果对于发展基于石墨烯的纳米电子器件有重要的意义.

含氮-空位缺陷锯齿状石墨烯纳米条带中负微分电阻和自旋过滤效应

采用第一性原理和非平衡格林函数方法，系统研究了含氮空位缺陷锯齿状石墨烯纳米条带的自旋极化输运特性．理论计算结果表明边界非对称的这类石墨纳米条带的基态具有铁磁性，由其构建的分子结中负微分电阻效应具有鲁棒性，是电极局域的态密度及依赖偏压的散射区-电极耦合作用结果．此外，在特定偏压区域还观察到几乎完美的自旋过滤效应．

多空位缺陷和硼氮杂质对锯齿型石墨烯纳米带电子结构的影响

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究多空位缺陷和掺杂对对称性锯齿型石墨烯纳米带(ZGNRs)的电子结构的影响。研究结果表明,具有相同位置的多空位缺陷或氮掺杂的对称性ZGNR显示了半金属特性,而硼掺杂的对称性ZGNR显示了半导体性质。石墨烯纳米带的锯齿形边缘上和空位缺陷处都存在自旋极化的电子态,并且边缘上电子自旋呈反铁磁性排列。具有多空位缺陷的ZGNR磁矩依赖于带宽、空位缺陷的构型以及空位缺陷与边缘的距离,从而磁矩随着带宽的增加呈现震荡效应。这种特殊的缺陷和掺杂效应可用来设计新颖的自旋电子器件。

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.

空位缺陷对zigzag型石墨烯纳米带电子结构的影响

为了了解空位缺陷对zigzag型石墨烯纳米带电子结构的影响,采用基于密度泛函理论的第一性原理,计算含不同空位碳原子数的缺陷zigzag型石墨烯纳米带的电子结构。研究结果表明:含缺陷的zigzag型石墨烯纳米带都呈现出类金属性的电子结构特征,其电子结构与缺失碳原子的含量及缺陷位置附近碳原子的饱和度密切相关;缺陷的存在会引入缺陷能级,当缺失的碳原子数为奇数时,费米面附近存在3条能级;当缺失的碳原子数为偶数时,费米面附近只有2条能级;随着空位缺陷的增加,缺陷处碳原子的不饱和度也增加,从而费米能附近的态密度峰出现相应衰减。

线缺陷对扶手型石墨烯纳米带能隙的调控

采用单轨道最近邻紧束缚模型,我们研究了线缺陷的位置、类型和强度对扶手型石墨烯纳米带(AGNRs)能隙的调控.计算结果表明,对于带宽N为3n(n为整数)的半导体AGNRs,加一条位于Ni≠3m-1的两体线缺陷后(N_i为缺陷位置,m为整数),能隙关闭,纳米带呈金属性;而N=3n+1的半导体AGNRs关闭能隙的两体线缺陷位置为Ni≠3m-2.对于带宽N=3n+2的金属性AGNRs,可在Ni≠3m位置处加一条子格线缺陷打开能隙,使纳米带呈半导体性,同时在费米能附近出现一个波速为零的局域态;增加正常原子与缺陷原子之间的交叠积分,可使局域态消失,同时保持半导体性.利用格林函数方法,我们研究了一个两端口有限尺寸AGNRs的电子输运模型,计算了体系在有线缺陷时的透射系数和态密度,结果与能带谱计算结果相一致.

基于石墨烯纳米条带阵列的光电探测器模型

提出了一种基于石墨烯纳米条带阵列的光电探测器(GNR-PD)结构,讨论了器件的解析模型。基于二维泊松方程,在弱非局域近似条件下建立了GNR-PD的器件模型,推导了其I-V特性和光响应特性。结果表明,GNR-PD具有极高量子效率和光电增益,可以获得高达150A/W以上的光响应度。

石墨烯纳米流体在PV/T系统中的分频性能分析

文章对质量浓度分别为0.02‰,0.05‰,0.1‰的水基石墨烯纳米流体的分频特性进行了研究。采用双光程法测试了光谱透过率,可理论分析石墨烯纳米流体的分频性能。在90 min模拟光照的条件下,分析不同浓度石墨烯纳米流体和水作为分频液时分频型PV/T系统集热效率、电效率和综合效率的变化情况。结果表明:0.02‰石墨烯纳米流体的光谱透过率最高,在400~900 nm的单晶硅电池较佳响应波段,其透过率为66.8%;将取热温度设定为40℃,0.1‰纳米流体达到40℃时,热效率最高达39.7%;水作为PV/T系统分频液时,PV电池输出效率最高为10.9%;同时,利用性能评价函数MF(The Merit Function)来评估分频液对PV/T系统综合性能的影响,当达到取热温度40℃时,0.1‰石墨烯分频液瞬时MF值最高达1.85。

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.

含缺陷双层石墨烯的纳米压痕模拟研究

石墨烯具有独特的力学、电学性能,被誉为是具有战略意义的新材料,具有广泛的应用前景.目前生产的石墨烯含有各种缺陷,相较于完美石墨烯,其仍有较大应用价值.因此有必要研究和掌握缺陷对石墨烯性能的影响,以便在目前的生产技术下,推动其工业化应用.采用Tersoff势来模拟C—C共价键的相互作用,Lernnard--Jones势来模拟非成键碳原子之间相互作用力,基于分子动力学模拟了金刚石压头压入含缺陷双层石墨烯的纳米压痕过程,讨论了Lernnard--Jones势函数的截断半径最佳值以及得到了典型的载荷-位移曲线.重点探讨了Stone--Thrower--Wales、空位(包括单空位和双空位缺陷)以及圆孔缺陷当位置不同和数目不同时对石墨烯力学性能的影响.得出结论:薄膜中心存在缺陷时,破坏强度下降幅度特别明显.空位缺陷在压头半径范围内存在时,临界载荷与缺陷与薄膜中心的距离成线性关系;缺陷数目越多,其杨氏模量、破坏强度等就越低.圆孔缺陷数目在压头范围外达到一定浓度后会使石墨烯的力学性质显著降低.本文结论也说明石墨烯结构稳定,对小缺陷不敏感,缺陷石墨烯仍具有较好的性能和使用价值.

石墨烯修饰Y型TiO_2纳米管光电极制备及其对氨氮催化氧化性能

采用三步阳极氧化法和一步循环伏安电沉积法制备了还原氧化石墨烯(rGO)修饰的Y型TiO_2纳米管(rGO/Y-TiO_2NTs)电极。通过场发射电子扫描显微镜(FESEM)、X射线能谱(EDS)、X射线衍射(XRD)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)及拉曼光谱(Raman)等对电极样品进行了表征。以rGO/Y-TiO_2NTs电极为光阳极,测试了不同循环伏安沉积圈数对电极光电流响应的影响,考察了在1.0 V偏压下电极对氨氮的光电催化氧化性能。结果表明,高度有序的Y-TiO_2NTs为锐钛矿型,具有大的比表面积,表面修饰平滑透明rGO薄膜后可显著提高其光电催化效率,沉积圈数为30时电极在30 min内对氨氮的光电催化氧化效率为95.9%。

锰掺杂锯齿型石墨烯纳米带电磁学特性研究

基于密度泛函理论的第一性原理,计算了锰原子单空位掺杂锯齿型石墨烯纳米带6种不同位置时的电磁学特性。结果表明:锰原子掺杂石墨烯纳米带的能带结构对掺杂位置十分敏感。随着锰掺杂位置的变化,掺杂石墨烯纳米带分别表现出半导体性和金属性特征。锰原子掺杂石墨烯纳米带改变了原本的磁性特征,掺杂位置不同,结构磁性特点也不相同,掺杂位置在4号位置时,纳米带实现了由反铁磁态的锯齿型石墨烯纳米带向铁磁性的转化。锰原子掺杂锯齿型石墨烯纳米带可以调制其磁性和能带特性,为石墨烯纳米带在电磁学领域应用提供一定的理论依据。

石墨烯纳米条带的热电性质研究

利用非平衡格林函数方法与朗道输运理论,研究石墨烯纳米条带的热电性质。研究结果表明:zigzag型石墨烯纳米条带的热电性质随着宽度的增加而减少;armchair型石墨烯纳米条带的热电性质不仅与宽度有关,而且与其带隙是否被打开有关,当其表现为半导体时,其热电性质远大于zigzag边缘的石墨烯纳米条带。

B-N链对锯齿型石墨烯纳米带电子结构的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了边缘对称和反对称的锯齿型石墨烯纳米带的电子结构,考察了B-N链掺在不同位置时的影响。研究结果表明:B-N原子链有向边缘迁移的现象,并且其掺杂在石墨烯纳米带中央时对体系电子结构的改变很小,而掺杂在边缘时会使体系在费米能级附近的能带结构发生显著的变化。边缘被B-N链取代的石墨烯纳米带的能隙被打开,并产生了明显的自旋非简并现象。这些现象的出现归因于掺杂体系中边缘电子态的重新分布。

紫外辐照法制备Ag纳米颗粒用于石墨烯表面缺陷的标记与修复

为了标记化学法制备石墨烯时引入的缺陷,采用紫外辐照的方法,利用Ag颗粒与含氧官能团之间的相互作用实现了对缺陷的定量标记.结果表明该方法能提供石墨烯表面缺陷的数量和分布信息.另外Ag纳米颗粒对石墨烯缺陷有修复作用,有利于提高石墨烯的导电能力.

纳米管-石墨烯复合缺陷结构的几种气体吸附分解效应

利用基于第一性原理的密度泛函理论,针对碳纳米管和石墨烯组成的复合缺陷结构进行了模拟计算。不仅给出了缺陷结构吸附分解O2、NO2、CO2等分子的几何结构特征,还对相应的电子结构影响进行了研究。结果发现:复合缺陷结构能将气体分子分解成原子或原子团;这些气体分子吸附对复合缺陷的结构影响局限在缺陷附近,但电子结构受到显著的改变;除了电子态密度的能隙大小位置受到吸附类型的影响外,态密度峰的大小和位置也被显著改变;此外,能带结构中的子能带简并度、费米能位置、缺陷态等也产生了重要变化。这些结果对基于碳纳米管和石墨烯的复合材料的应用具有基础性的理论参考作用。