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含氧官能团对石墨烯纳米条带电子输运性质的调制效应

作　者: 张春小
导　师: 钟建新
学　校: 湘潭大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 锯齿型石墨烯纳米条带 单壁碳纳米管 含氧官能团 密度泛函理论 非平衡格林函数
分类号:
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
下　载: 71次
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内容摘要


本文结合密度泛函理论与非平衡格林函数方法，系统研究了氧化对一维碳纳米管和石墨烯纳米条带电子输运性质的调制效应，同时研究了在金属电极条件下石墨烯纳米条带的电子输运性质。我们的研究为一维碳纳米材料在纳米器件中的应用提供了理论基础，本论文的主要结论包括：（1）研究了(10，0)单壁碳纳米管（SWCNT）的本征缺陷与氧分子（O2）耦合形成的缺陷复合体对纳米管电子结构和电子输运的调制效应。结果表明，缺陷复合体能够部分的修复空位引起的电子态局域，但是增强了Stone-Wales缺陷造成的电子态局域。因此，氧化提高了空位缺陷SWCNT的传输电导，但是压制了Stone-Wales缺陷SWCNT的传输电导。我们的研究还表明缺陷复合体几乎不影响纳米管的传输带隙和开启电压；（2）我们研究了边缘氧化对锯齿型石墨烯纳米条带（ZGNRs）电子输运的调制效应。研究中我们考虑了两种含氧官能团C=O（ZGNR-CO）和C-O-C（ZGNR-C2O）。我们发现：在透明电极条件下两种含氧官能团都能提高ZGNRs的传输电导。但是，在金电极的情况下，与Au|ZGNR-H|Au相比Au|ZGNR-CO|Au的电子传输得到增强而Au|ZGNR-C2O|Au的电子传输受到抑制。这是因为在Au|ZGNR-CO|Au系统中，边缘氧化不但保持了原有边缘C原子上的传输通道而且引入了新的有效传输通道，从而带来传输增益。而Au|ZGNR-C2O|Au在费米能级附近的电子态局域在纳米带上，阻断了电子传输通道，压制了器件的电输运；（3）研究了氧化对金电极与ZGNRs形成的器件结的电子输运的影响。我们发现因为在结处形成了肖特基势垒，所以Au/ZGNRs表现出典型的二极管整流特征。尽管结氧化对肖特基势垒的影响很小，但是结氧化影响了ZGNRs与Au电极间的耦合所以调控了器件结的I-V特性；（4）我们研究了局部应变对边缘ZGNRs电子传输的调制。结果表明:局部应对ZGNR-H的电子传输的影响非常微弱，但对边缘氧修饰的ZGNRs（ZGNR-CO和ZGNR-C2O）的电子输运的影响非常明显。由于局部应变很难扰动ZGNR-CO费米能级附近的电子态，所以相比于ZGNR-H，ZGNR-CO在局部应变条件下增强了电子传输；但是ZGNR-C2O随局部应变的增强电子传输逐渐被抑制，这是由于C-O-C使得费米能级附近的电子态离域在整个纳米带上，而局部应变造成了此电子态的局域从而阻断电子通道；（5）我们提出了通过羧基（OH）链表面修饰调制ZGNRs电子输运的方案。OH链修饰于ZGNRs上下表面形成的石墨烯纳米带氧化物（ZGNR-mOH，m表示被OH链修饰的碳链条数）。羧基链修饰能够有效的调制ZGNRs的电子结构及电子输运特性。在特征体系9ZGNRs中，当m≤4时9ZGNR-mOH表现出金属特性，这其中当m=3时，系统在费米能级附近出现6G0的传输平台。但是当m>4时，9ZGNR-mOH转变为半导体特性。特别是9ZGNR-7OH和9ZGNR-8OH表现为n型半导体。ZGNR-mOH的电子输运性质依赖于边缘态及界面态。当未被修饰的碳区域的宽度小于3条碳链时，派尔斯畸变引起了金属-半导体转变。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-32
  1.1 碳家族简介  9-11
  1.2 碳纳米管  11-19
    1.2.1 碳纳米管的制备  12-14
    1.2.2 单壁碳纳米管的性质  14-16
    1.2.3 碳纳米管的点缺陷  16-18
    1.2.4 碳纳米管的氧化  18-19
  1.3 石墨烯  19-30
    1.3.1 石墨烯的制备  20-23
    1.3.2 石墨烯的优异电子性质  23-25
    1.3.3 石墨烯纳米条带  25-28
    1.3.4 石墨烯的化学修饰  28-30
  1.4 本文的研究目的和内容  30-32
第2章 研究方法和理论背景  32-39
  2.1 密度泛函理论  32-36
    2.1.1 Born-Oppenheimer 绝热近似  32-33
    2.1.2 Hohenberg-Kohn 定理  33
    2.1.3 Kohn-Sham 方程  33-35
    2.1.4 交换关联泛函  35-36
  2.2 格林函数方法  36-39
第3章 含氧缺陷复合体对单壁碳纳米管电子结构与输运性质的影响  39-49
  3.1 引言  39-40
  3.2 计算模型及方法  40-41
  3.3 结果与讨论  41-48
    3.3.1 含氧缺陷复合体的稳定性  41-43
    3.3.2 含氧缺陷复合体对（10，0）SWCNT 电子结构的影响  43-46
    3.3.3 含氧缺陷复合体对（10，0）SWCNT 电输运性质的调制  46-48
  3.4 结论  48-49
第4章 边缘氧化对锯齿型石墨烯纳米条带输运性质的调制效应  49-61
  4.1 引言  49-50
  4.2 计算模型与方法  50-52
  4.3 结果与讨论  52-59
    4.3.1 透明电极条件下边缘氧化锯齿形石墨烯纳米条带的输运性质  52-53
    4.3.2 金电极条件下边缘氧化对锯齿形石墨烯纳米条带输运性质的调制  53-57
    4.3.3 铝电极条件下边缘氧化的锯齿形石墨烯纳米条带输运性质  57-59
  4.4 小结  59-61
第5章 界面氧化对金-锯齿型石墨烯纳米条带器件结电子输运性质的影响  61-68
  5.1 引言  61-62
  5.2 计算模型与方法  62-63
  5.3 计算结果与讨论  63-66
    5.3.1 结氧化对器件电流的影响  63-64
    5.3.2 结氧化对器件传输电导的影响  64-65
    5.3.3 结氧化器件的传输通道在实空间的分布  65-66
  5.4 本章小结  66-68
第6章 局域应变对边缘氧化的锯齿型石墨烯纳米条带输运性质的影响  68-76
  6.1 引言  68-69
  6.2 模型和计算方法  69-70
  6.3 结果和讨论  70-75
    6.3.1 边缘氧化的锯齿型石墨烯纳米条带在局域应变条件下的传输电导  71-72
    6.3.2 非平衡条件下边缘氧化与局域应变的综合效应  72-73
    6.3.3 局域应变对边缘氧化锯齿型石墨烯纳米条带电子轨道的影响  73-75
  6.4 结论  75-76
第7章 羟基链表面修饰对锯齿型石墨烯纳米带电子输运性质的调制  76-91
  7.1 引言  76-77
  7.2 计算模型与方法  77-79
  7.3 计算结果与讨论  79-89
    7.3.1 吸附结构及其稳定性  79-80
    7.3.2 电子输运性质  80-82
    7.3.3 电子结构分析  82-86
    7.3.4 修饰位置对纳米带输运性质的影响  86-89
  7.4 本章小结  89-91
第8章 总结和展望  91-95
  8.1 总结  91-93
  8.2 展望  93-95
参考文献  95-109
致谢  109-110
攻读博士学位期间完成的主要工作  110-111

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