密度泛函理論對(duì)石墨烯的研究

密度泛函理論對(duì)石墨烯的研究DensityFunctionalTheoryStudyonGraphene目錄密度泛函理論和第一性原理簡(jiǎn)介文獻(xiàn)研讀石墨烯概況總結(jié)與展望第一性原理(FirstPrinciple)

根據(jù)原子核和電子互相作用的原理及其基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律，運(yùn)用量子力學(xué)原理計(jì)算，從具體要求出發(fā)，經(jīng)過一些近似處理后直接求解薛定諤方程的算法，習(xí)慣上稱為第一性原理。第一性原理通常是跟計(jì)算聯(lián)系在一起的，是指在進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候除了告訴程序你所使用的原子和他們的位置外，沒有其它的實(shí)驗(yàn)的，經(jīng)驗(yàn)的或者半經(jīng)驗(yàn)的參量，且具有很好的移植性。密度泛函理論(DFT,DensityFunctionalTheory)

密度泛函理論是上個(gè)世紀(jì)60年代在Thomas-Fermi理論的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的量子理論的一種表述方式。傳統(tǒng)的量子理論將波函數(shù)作為體系的基本物理量，而密度泛函理論則通過粒子密度來描述體系基態(tài)的物理性質(zhì)。

密度泛函理論(DFT)作為處理非均勻相互作用多粒子體系的近似方法已經(jīng)在計(jì)算凝聚態(tài)物理、計(jì)算材料科學(xué)和計(jì)算量子化學(xué)諸多領(lǐng)域取得巨大成功并獲得廣泛應(yīng)用。ComputationExperimentTheoryScienceResearch計(jì)算機(jī)模擬已經(jīng)與理論與實(shí)驗(yàn)并列，成為三種基本的科學(xué)研究手段之一Top500SupercomputersintheworldA“small”PCclustertodayFourordersofmagnitudein15years石墨烯的出現(xiàn)

石墨烯是sp2雜化碳原子形成的類六元環(huán)苯單元并無限擴(kuò)展的二維晶體材料,在2004年,英國曼徹斯特大學(xué)兩位物理學(xué)家Geim和Novoselov采用微機(jī)械剝離方法從石墨中獲得了穩(wěn)定存在的單層石墨烯,并發(fā)現(xiàn)石墨烯具有獨(dú)特的電子能帶結(jié)構(gòu),其導(dǎo)帶和價(jià)帶在倒空間狄拉克點(diǎn)相接,石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)在費(fèi)米能級(jí)附近呈線性關(guān)系.這一發(fā)現(xiàn)引起了國際科學(xué)界的廣泛關(guān)注和重視,憑此,這兩位科學(xué)家獲得了2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).Graphene:amonolayeroftwo-dimensionalcarbonatoms石墨烯的優(yōu)異性能

石墨烯目前是世上最薄卻也是最堅(jiān)硬的納米材料，幾乎完全透明，只吸收2.3%的光；導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)5300W/m?K，高于碳納米管和金剛石，常溫下其電子遷移率超過15000cm2/V?s，比碳納米管和硅晶體高，而電阻率只約10-8Ω?m，比銅或銀更低，為世上電阻率最小的材料。Siliconout,Graphenein?

RVanNoorden,

Nature

442,228(2006)

石墨烯的制備方法

石墨烯的制備方法還有溶劑熱法、高溫還原、光照還原、外延晶體生長法、微波法、電弧法、電化學(xué)法等，這些方法都不及上述四種方法普遍。

Densityfunctionalstudyonhydrogenationandnon-hydrogenationgraphenenanoribbon氫化與非氫化石墨烯納米條帶的密度泛函研究文獻(xiàn)研讀WhatareGraphenenanoribbons(GNR)?UnlimitedLimitedZigzagGNRs(ZGNR)UnlimitedLimitedArmchairGNR(AGNR)因graphenenanoribbon的邊緣性質(zhì)活潑極容易進(jìn)行摻雜，一些官能團(tuán)如NH2,OH,COOH等對(duì)條帶電子和自旋性質(zhì)有著顯著影響，這些官能團(tuán)邊緣修飾的石墨烯納米條帶可形成功能器件。運(yùn)用平衡分子動(dòng)力學(xué)對(duì)于氫化石墨烯納米條帶的熱導(dǎo)研究發(fā)現(xiàn)，氫化明顯降低石墨烯納米條帶的熱導(dǎo)。石墨烯條帶的邊緣結(jié)構(gòu)對(duì)其性質(zhì)有著決定性影響。對(duì)于純條帶或是其邊緣的研究是非常重要的模型

選擇了寬度N為8(垂直于條帶延展方向由8條單碳鏈構(gòu)成)的石墨烯納米條帶，對(duì)其進(jìn)行邊緣氫化研究。HANGR（氫飽和扶手形），PAGNR（無氫飽和扶手形），HZGNR（氫飽和鋸齒形）和PZGNR（無氫飽和鋸齒形）的超原胞模型如下圖所示。計(jì)算方法

本文中的計(jì)算是建立在基于密度泛函理論(DFT)的第一性原理方法上，運(yùn)用的計(jì)算軟件為VASP軟件包。研究?jī)?nèi)容納米條帶的優(yōu)化結(jié)構(gòu)鋸齒形條帶自旋分布鋸齒形條帶的自旋極化電子結(jié)構(gòu)氫化和非氫化扶手形條帶能帶結(jié)構(gòu)石墨烯納米條帶的優(yōu)化結(jié)構(gòu)結(jié)果與討論一維線性碳鏈屬于sp雜化，人們依據(jù)其碳原子之間的結(jié)合方式將它分為兩種類型:第一種類型，相鄰的碳原子間以雙鍵相結(jié)合(