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石墨烯制备及其缺陷研究

作　者: 苗伟
导　师: 张志勇
学　校: 西北大学
专　业: 电子与通信工程
关键词: 石墨烯氧化还原法第一性原理缺陷 Fe掺杂
分类号: O613.71
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

石墨烯的出现在科学界激起了巨大波澜,这在于它严格的二维结构具有许多极佳的物理性质,蕴涵着许多潜在的应用。石墨烯是一种零带隙的二维材料,其中的碳原子通过SP2轨道杂化构成了二维蜂窝状结构。石墨烯具有良好的导热性、高强度和超大比表面积,这些良好的物理性质使得其在能量储存、电子器件、复合材料及传感器等方面有着广阔的应用前景。本文首先利用氧化还原法制备石墨烯,研究其制备工艺及成核机理,在此基础上通过密度泛函理论的第一性原理方法,首先研究了三种缺陷(单空位缺陷、双空位缺陷和Stone-Wales缺陷)对石墨烯电子结构的影响；其次探索了Fe掺杂对石墨烯电学、磁学属性的影响。论文的主要工作及获得的主要结论如下：(1)利用氧化还原法成功制备出石墨烯,在氧化还原法制备石墨烯的过程中,由于氧化石墨被还原后其结构不可能被完全恢复到单层石墨原来的结构状态,因此,所制备的石墨烯结构与理想的单层石墨结构还有一定的差别,石墨烯中会有一定的缺陷存在,包括单、双空位缺陷和Stone-Wales缺陷。(2)单、双空位缺陷和Stone-Wales缺陷都可以改变石墨烯的电子结构,它们的引入使石墨烯的禁带得到扩展不再为零带隙,而且不同的缺陷对石墨烯的禁带影响不同,单空位缺陷、双空位缺陷和Stone-Wales缺陷石墨烯的禁带宽度分别为1.591ev、1.207ev和0.637eV。(3)本征石墨烯为零带隙,是非磁性材料,但是对石墨烯进行Fe掺杂后既可以改变其禁带宽度,又能实现对石墨烯磁性的改造。Fe掺杂后石墨烯禁带宽度为1.51ev,且有磁性产生。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章绪论  7-17
  1.1 研究背景  7-8
  1.2 石墨烯的制备方法  8-9
  1.3 石墨烯的结构与性能  9-14
    1.3.1 石墨烯的晶体结构与能带结构  9-11
    1.3.2 石墨烯的主要性质  11-14
  1.4 石墨烯的应用前景  14-15
  1.5 本文主要内容  15-17
第二章氧化还原法制备石墨烯  17-25
  2.1 实验方案设计及反应机理  17-20
    2.1.1 实验方案设计与反应机理  17-18
    2.1.2 实验中所用的试剂和仪器设备  18-19
    2.1.3 工艺流程  19-20
  2.2 样品的表征分析方法  20-21
    2.2.1 X射线衍射(XRD)  20
    2.2.2 扫描电子显微镜(SFM)  20-21
  2.3 实验结果分析  21-23
    2.3.1 XRD测试与结果分析  21-22
    2.3.2 SEM测试与结果分析  22-23
  2.4 本章小结  23-25
第三章理论研究方法  25-31
  3.1 第一性原理计算方法介绍  25-26
  3.2 密度泛函理论简介  26-29
    3.2.1 局域密度近似(LDA)  28-29
    3.2.2 广义梯度近似(GGA)  29
  3.3 CASTAP软件包  29-30
  3.4 本章小结  30-31
第四章石墨烯中的缺陷及Fe掺杂计算  31-47
  4.1 理论模型  31-34
    4.1.1 本征石墨烯的理论模型  31-32
    4.1.2 三种缺陷的理论模型  32-33
    4.1.3 Fe掺杂石墨烯的理论模型  33-34
  4.2 计算方法  34-35
  4.3 计算结果分析  35-44
    4.3.1 模型的体系能量分析  35-36
    4.3.2 能带结果分析  36-39
    4.3.3 态密度结果分析  39-44
  4.4 本章小结  44-47
第五章总结与展望  47-49
参考文献  49-55
攻读硕士学位期间取得的科研成果  55-56
致谢  56

石墨烯制备及其缺陷研究

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