导　　师： 刘靖尧

授予学位： 博士

作　　者： ;

机构地区： 吉林大学

摘　　要： 自从2004年Geim和Novoselov利用机械剥离法成功制备石墨烯以来,石墨烯的相关研究已经逐渐成为凝聚态物理、材料科学等领域最受关注的研究热点之一。同时,由于石墨烯作为单原子层二维材料所展现出来的独特性质及其广阔的应用前景,人们也对其他的二维材料产生了极大的研究热情。近年来,随着计算机技术的飞速发展和计算模拟方法的日趋成熟,基于密度泛函理论的第一性原理计算在低维材料的结构设计和电子性质的研究中得到了非常广泛的应用。本论文中,运用密度泛函方法,我们首先研究了大环分子在石墨烯晶格中的嵌入以及其对石墨烯电子性质的影响;其次,由已知的晶体结构出发,我们提出了一种新型的二维材料,并以该结构为基础设计了两种氮化硼和碳的二维同素异形体;最后,我们对氢化反应和卤化反应如何有效调控一种二维碳同素异形体的电子结构进行了研究。具体工作和主要结论概括如下:1.通过化学修饰对石墨烯的电子结构和电子性质进行调节是近年来石墨烯研究中的一个热点。利用第一性原理计算,我们以冠醚为例,证明大环分子可以很好地与石墨烯的晶格相匹配并嵌入其中。冠醚环的嵌入不仅改变了石墨烯的电子结构性质,而且赋予了石墨烯选择性络合金属的能力。通过改变石墨烯中冠醚环的密度,所得到的冠醚石墨烯的带隙和能带边缘态都逐渐变化,并在冠醚环浓度最低的时候接近狄拉克点,而当冠醚环浓度最高的时候可以产生一种新型的二维材料:g-C2O,它的能隙为3.502 e V。可见,这是一种能够获得一大类从宽带半导体到窄带半导体的二维材料的新方法。此外,我们的计算表明嵌入石墨烯晶格的冠醚环可以有效的结合金属原子,这是一种修饰石墨烯性质的新方法,可以用来在石墨烯中引入自旋-轨道耦合作用,甚至使石墨烯变成超导电性。2.二维半导体材料及相关器件制造已经成为电子和材料科学中一个新的研究热点。然而,与三维半导体相比,二维材料的选择非常有限。我们从现有的层状三维B2S3晶体结构出发,提出单层B2S3可以作为一种新型的潜在二维材料。利用先进的杂化泛函方法,我们证明二维B2S3具有大小为3.750 e V的能隙。此外,通过在二维B2S3的空位点处添加额外的B原子以使B:S达到1:1的化学配比,并将S原子替换为N原子或者是将全部原子都替换为C原子,我们构建了新型的氮化硼和石墨烯的二维同素异形体。所得到的氮化硼同素异形体的带隙比六方氮化硼低0.987 e V。尽管所得到的石墨烯同素异形体的结构与原始石墨烯存在显著不同,但该碳同素异形体仍然具有狄拉克锥的能带结构。3.Graphenylene是一种由非离域sp2杂化碳原子组成的新型二维碳同素异形体,具有由六元环和四元环组成的多孔结构,并且与石墨烯属于同一分子点群D6h。由于其本身所具有的热稳定性和多孔结构,最近引起了人们相当大的研究兴趣。我们利用密度泛函方法对graphenylene的氢化和卤化反应进行了研究。在所有考虑的浓度中,氢原子和氟原子都倾向于与graphenylene形成sp3杂化键,而氯原子和溴原子的吸附只有在较低浓度时才能发生,碘原子的吸附在任何浓度下都是不稳定的。计算所得结合能的变化趋势表明氢原子和卤原子在graphenylene表面不倾向于聚集,因此利用氢化和卤化调控graphenylene的能隙是可行的。我们对官能团化graphenylene的电子结构进行了研究,结果发现通过控制吸附原子的浓度,可以在很大的一个范围内对graphenylene的能隙值进行调控。氢化和卤化可以分别在0.0750~4.980 e V和0.0241~4.870 e V的范围内对graphenylene的能隙进行调控。

关 键 词： 密度泛函理论 二维材料 石墨烯 能带结构

分 类 号： [O613.71 O641.1]

领　　域： [理学] [理学] [理学] [理学]