【摘要】：自從2004年被成功制備以來,石墨烯由于其優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)一直是全世界研究的熱點(diǎn)。但二維石墨烯的零帶隙半導(dǎo)體屬性在很大的程度上限制了它的實(shí)際應(yīng)用。為了拓寬石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域以及讓它可以真正有效應(yīng)用到將來的納電子器件中,研究者們采取各種方法實(shí)現(xiàn)了對石墨烯的改性與調(diào)控,具有諸多新穎性能的石墨烯衍生結(jié)構(gòu)不斷的被制備出來,極大的拓展了石墨烯的應(yīng)用領(lǐng)域,對綜合開發(fā)利用石墨烯有很重要的意義�；诖�,我們在本論文中利用密度泛函理論及非平衡格林函數(shù)的方法,研究了兩種重要的石墨烯衍生結(jié)構(gòu)——石墨烯納米帶及石墨烷的摻雜效應(yīng)、光學(xué)性質(zhì)及輸運(yùn)特性,得到了一些有意義的結(jié)果。本論文的主要內(nèi)容如下:第一章,介紹了石墨烯及其典型衍生結(jié)構(gòu)的物理化學(xué)性質(zhì)和應(yīng)用,同時(shí)給出了本論文的研究工作概述。第二章,介紹了本論文的理論基礎(chǔ)、計(jì)算方法及相關(guān)軟件。第三章,探討了Fe吸附原子對鋸齒型石墨烯納米帶(ZGNR)的輸運(yùn)性質(zhì)的調(diào)制效應(yīng)。計(jì)算結(jié)果顯示,ZGNR的輸運(yùn)性質(zhì)對Fe原子的吸附位置非常敏感。當(dāng)Fe原子吸附在ZGNR的邊緣時(shí),它對輸運(yùn)性質(zhì)的調(diào)制最顯著。隨著Fe原子從ZGNR的邊緣處向中心移動(dòng),它對輸運(yùn)性質(zhì)的影響呈遞減的趨勢。另外,我們還發(fā)現(xiàn)Fe吸附原子對ZGNR的自旋向下通道的影響比自旋向上通道大,因此產(chǎn)生了高的自旋極化率,實(shí)現(xiàn)了自旋極化輸運(yùn)。第四章,我們研究了Li原子對石墨烯及其衍生結(jié)構(gòu)石墨烷構(gòu)成的石墨烷/石墨烯聯(lián)合體系的摻雜效應(yīng)。我們構(gòu)建的體系是在四層石墨烯上面放置(1～4)層的石墨烷。利用Bader程序分析了體系的電荷分布,我們發(fā)現(xiàn)Li原子提供的絕大部分的轉(zhuǎn)移電荷都分布在最上面的石墨烷層中,內(nèi)部的石墨烯片層幾乎接收不到轉(zhuǎn)移電荷。這表明石墨烷層是可以屏蔽外部電荷的,這和經(jīng)典的靜電屏蔽效應(yīng)是吻合的。并且,這種現(xiàn)象并不隨著石墨烷層數(shù)的增加而變化。進(jìn)一步的機(jī)理分析闡明:聯(lián)合體系的層間靜電相互作用和最上面石墨烷層中的近自由電子態(tài)在該體系的電荷分布中扮演了很重要的角色。第五章,我們分別對石墨烷納米帶的光學(xué)性質(zhì)和輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了研究。在光學(xué)性質(zhì)方面,我們發(fā)現(xiàn)鋸齒型和扶手型石墨烷納米帶的介電函數(shù)虛部譜線和石墨烷本身的非常相似,它們都呈現(xiàn)出光學(xué)各向異性。并且石墨烷納米帶的光學(xué)性質(zhì)還不依賴于納米帶的寬度及邊緣特點(diǎn)。這種性質(zhì)主要?dú)w結(jié)于所有石墨烷納米帶中的碳原子均是sp3成鍵,能態(tài)結(jié)構(gòu)的軌道貢獻(xiàn)都非常相似,因此滿足相同的光學(xué)躍遷定則,呈現(xiàn)出相似的光學(xué)性質(zhì)。這種光學(xué)性質(zhì)的特殊共性使我們在實(shí)際應(yīng)用中不需要制備特定寬度和邊界形狀的石墨烷納米帶。在輸運(yùn)性質(zhì)方面,我們構(gòu)建的是以石墨烷納米帶為中間勢壘層的磁性隧道結(jié)。通過計(jì)算磁性隧道結(jié)在平行結(jié)構(gòu)和反平行結(jié)構(gòu)下的電流電壓曲線,我們發(fā)現(xiàn)電流在不同結(jié)構(gòu)時(shí)對偏壓的響應(yīng)是不一樣的:在平行結(jié)構(gòu)時(shí),電流隨著偏壓的增加先增大后減小,出現(xiàn)了負(fù)微分電阻現(xiàn)象;而在反平行結(jié)構(gòu)時(shí),電流則隨著偏壓的增加而逐漸增大。這兩種結(jié)構(gòu)下的不同電流——電壓響應(yīng)導(dǎo)致產(chǎn)生了高達(dá)7700%的隧穿磁電阻,并且還出現(xiàn)了正負(fù)磁電阻的反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。通過分析不同偏壓下的透射譜,我們闡明了這種現(xiàn)象產(chǎn)生的物理機(jī)制。第六章,對本論文的工作進(jìn)行了總結(jié)以及對將來研究工作的展望。

道之間能夠雜化成 sp，sp和 sp構(gòu)型。碳原子的這種成鍵方式使得它能夠形成諸如石石和無定形碳等多種宏觀的碳材料，豐富了它的物質(zhì)存在形態(tài)。然而，隨著近二十年術(shù)的發(fā)展，，這個(gè)古老的碳元素又呈現(xiàn)出許多全新的構(gòu)型，各種奇異性能的碳基納米材被制備出來。下面，我們就對幾種新型的碳納米材料做簡要的介紹。.1.1 富勒烯最早的碳納米材料是在 1985 年，由美國萊斯大學(xué)的 Kroto. Curl 和 Smalley[17]教授及克斯大學(xué)的 Kroto 教授共同發(fā)現(xiàn)的 C60。由于它的構(gòu)型酷似足球，如圖 1.1 所示，所以為足球烯，俗稱巴基球，它的出現(xiàn)刷新了人類對碳元素的認(rèn)知，因此三人榮獲了 1996 爾化學(xué)獎(jiǎng)。隨后，一系列的全碳中空球狀分子如 C70、C84和 C540等相繼被發(fā)現(xiàn)，這些分子統(tǒng)一被稱之為富勒烯(Fullerene)。富勒烯一般是由五元環(huán)和六元環(huán)組成，最著名的 20 個(gè)六元環(huán)和 12 個(gè)五元環(huán)組成。其中每個(gè)碳原子的配位方向呈錐形，這樣，C60分子化軌道中本質(zhì)上是含有 sp3特征的，導(dǎo)致兩個(gè)相鄰的六元環(huán)共用的碳碳鍵接近雙鍵性鄰的五元環(huán)和六元環(huán)所共同擁有的碳碳鍵則接近單鍵性質(zhì)。C60的化學(xué)性質(zhì)相當(dāng)穩(wěn)定，在學(xué)、磁性、催化及材料等方面呈現(xiàn)出很多新穎的性能，受到了研究者們的廣泛關(guān)注。

南京航空航天大學(xué)博士學(xué)位論文CN 和 SWCN，如圖 1.2 所示。碳納米管上的每個(gè)碳原以σ鍵結(jié)合成正六邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。由于存在某種程度化鍵，即碳納米管中的化學(xué)鍵可同時(shí)兼?zhèn)?sp2和 sp3這向的差異，可將碳納米管分為扶手型、鋸齒型和螺旋而分別呈現(xiàn)出金屬性或半導(dǎo)體性。由于碳納米管的獨(dú)出很多新穎的物理化學(xué)性質(zhì)，如高強(qiáng)度、大長徑比、，使得它在電化學(xué)器件、場發(fā)射裝置、場效應(yīng)晶體管因此，自碳納米管問世以來，一直是物理、材料、化
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：O469

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本文編號(hào)：2516282