1、密度泛函理論對石墨烯的研究Density Functional Theory Study on Graphene目錄密度泛函理論和第一性原理簡介文獻(xiàn)研讀石墨烯概況總結(jié)與展望第一性原理( First Principle) 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。ComputationExperimentTheoryScienc

2、e Research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Top 500 Supercomputers in the worldA “small” PC cluster todayFour orders of magnitudein 15 years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)米能級附近

3、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: a monolayer of two-dimensional carbon atomsSilicon out, Graphene in? R Van Noorden, Nature 442, 228(2006) 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。What are Graphene nanoribbons (GNR)?UnlimitedLimitedZigzag GNRs

4、(ZGNR)UnlimitedLimitedArmchair GNR(AGNR) 因graphene nanoribbon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)對其性質(zhì)有著決定性影響。對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，對其進(jìn)行邊緣氫化研究。HANGR（氫飽和扶手形），PAGNR（無氫飽和扶

5、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。研究內(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)類似累積雙鍵形的結(jié)構(gòu)比類似聚炔烴形的結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)定氫化比非氫化結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定 HZGNR的邊緣CC鍵長為1.41A，與原始鍵長相差不足0.01A；PZGNR的邊緣CC鍵為1.38A，與HZEGNR相差不大。氫化和非氫化扶手形石墨烯納米條帶能帶結(jié)構(gòu)HAGNRPAGNRHAGNR的帶隙寬度為 0.30 eV,

6、 PAGNR的帶 隙寬度為0.53 eV邊緣效應(yīng)導(dǎo)致的能帶ZGNR在不同的磁性狀態(tài)下會(huì)顯示出不同的電子性質(zhì)，在FM和PM下的能帶結(jié)構(gòu)是金屬性的，而在AM下能帶結(jié)構(gòu)是有帶隙的半導(dǎo)體性。鋸齒形石墨烯納米條帶的自旋極化電子結(jié)構(gòu)0.66eV經(jīng)計(jì)算得到的HZGNR在反鐵磁態(tài)下的帶隙寬度為0.42eV，無氫化條帶比氫化條帶的帶隙寬度更大，這與AGNR的情況一樣。結(jié)論參考文獻(xiàn)1 袁健美, 毛宇亮.氫化與非氫化石墨烯納米條帶的密度泛函研究J. 物理學(xué)報(bào), 2011, 37(1): 21-26.2 馮嫣萍, 田磊, 董玉慧.邊緣氫化石墨烯片層結(jié)構(gòu)和光譜性質(zhì)的密度泛函理論研究J. 計(jì)算機(jī)與應(yīng)用化學(xué), 2014, 30(2): 29-34.3 曹粲.雜質(zhì)、缺陷及邊緣修飾對鋸齒型石墨烯納米帶輸運(yùn)性質(zhì)的影響D. 長沙：中南大學(xué)碩士論文, 2012.4 劉波, 孫紅娟, 彭同江.石墨烯分子振動(dòng)模式因子群分析與密度泛函計(jì)算J. 物理化學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 30(2): 29-34.5 黃美純.密度泛