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石墨烯形变与电子学特性

作　者: 王利琴
导　师: 王利光
学　校: 江南大学
专　业: 光学工程
关键词: 石墨烯密度泛函几何结构分子能级轨道密度振动光谱电子传输
分类号: O613.71
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

自2004年,Novoselov成功的制备出石墨烯,由于其独特的结构和物理性质已经引起了全世界的研究高潮。石墨烯具有完美的晶格结构,体积小,量子尺寸效应等特性,决定了它有很多奇特的性质,如极快的载流子迁移率,高强度,良好的热学性质等,已经被看作硅的替代品,用来制造超级计算机,太空电缆,是最具有潜力的新型材料。石墨烯在工业,电子行业都有很广阔的应用前景,因此对石墨烯的研究在将来的生活,科技有很重要的意义。本文主要针对不同的石墨烯片进行计算模拟,研究了它们的电子特性,主要包括分子几何结构形变对分子轨道、光谱和电子传输特性等的影响。文章的主要结构如下:第一章,主要介绍了石墨烯的物理特性和研究现状,并对石墨烯的制备方法做以简单介绍。第二章,具体介绍了本文计算的理论基础,包括从头算方法、半经验分子轨道方法、密度泛函理论和非平衡格林函数等,并对计算工具做了简单的介绍。第三章,采用密度泛函理论的B3LYP方法,在6-31G(d)基组水平上对并六苯环的分子能级,轨道密度,红外和拉曼光谱及其稳定性进行了理论研究。第四章,采用密度泛函理论的B3LYP方法,在6-31G(d)基组水平上对圆形石墨烯片进行了研究,包括几何结构、前线轨道、密立根电荷和光谱分析,并与加氢圆形石墨烯片在一定程度做了比较。最后我们构建了圆形石墨烯片的电子输运模型,对电子传输和态密度进行了研究。第五章,采用密度泛函理论和广义梯度近似的第一性原理方法,对硼掺杂和未掺杂三角形石墨烯片进行理论计算,比较了石墨烯进行硼掺杂后的电子特性的改变。第六章,总结了全文的研究内容,由于时间的限制,不能全面的研究各种石墨烯的电子特性,最后提出对后期工作的展望。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
第一章绪论  7-15
  1.1 石墨烯的发现  7-8
  1.2 石墨烯的制备  8-11
    1.2.1 微机械分离法  9-10
    1.2.2 石墨层间化合物途径法  10
    1.2.3 氧化石墨还原法  10-11
    1.2.4 化学气相沉积法  11
  1.3 石墨烯物理特性及应用  11-15
    1.3.1 世界上最薄最硬的物质  11-12
    1.3.2 优异导电性  12-13
    1.3.3 高电子迁移率  13-15
第二章计算原理和计算方法  15-27
  2.1 从头算方法（ab initio）  15-17
  2.2 半经验分子轨道方法  17-19
    2.2.1 HMO（Huckel molecular orbitals）  17
    2.2.2 EHMO（extended Huckel molecular orbitals）  17-18
    2.2.3 CNDO（complete neglect of differential overlap）  18
    2.2.4 INDO（intermediate neglect of differential overlap）  18
    2.2.5 NDDO（neglect of diatomic differential overlap approximation）和 MNDO（modified NDDO）  18-19
  2.3 密度泛函理论  19-22
    2.3.1 Thomas-Fermi 理论  19-20
    2.3.2 Hohenberg-Kohn定理  20
    2.3.3 Kohn-Sham 方法  20-21
    2.3.4 DFT 计算方法中处理交换相关项的近似  21-22
  2.4 格林函数  22-26
    2.4.1 平衡格林函数  22-23
    2.4.2 非平衡格林函数(Non-Equilibrium Green Function, NEGF)  23-26
  2.5 计算工具  26-27
第三章并六苯环石墨烯带的电子特性  27-33
  3.1 并六苯环石墨烯带模型  27
  3.2 计算方法  27-28
  3.3 计算结果讨论  28-31
    3.3.1 分子能级  28-29
    3.3.2 分子轨道  29-30
    3.3.3 红外和拉曼光谱  30-31
  3.4 分子稳定性  31
  3.5 结论  31-33
第四章圆形石墨烯片的电子特性研究  33-41
  4.1 计算模型和方法  33-34
  4.2 结果分析  34-39
    4.2.1 几何构型  34-35
    4.2.2 分子轨道密度  35
    4.2.3 分子轨道能级  35-36
    4.2.4 振动光谱分析  36-37
    4.2.5 电子传输特性  37-39
  4.3 总结  39-41
第五章 B 掺杂三角石墨烯的电子特性  41-47
  5.1 计算模型和计算方法  41-42
  5.2 计算结果讨论  42-45
    5.2.1 几何结构  42
    5.2.2 密立根电荷  42-44
    5.2.3 分子能级和轨道密度  44-45
  5.3 总结  45-47
第六章总结与展望  47-48
致谢  48-49
参考文献  49-53
附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文  53

石墨烯形变与电子学特性

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