《半金属石墨烯纳米带的研究》
半金属石墨烯纳米带的研究
第２０卷第６期长春大学学报Ｖ０１．２０Ｎｏ．６２０１０年６月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＣＨＡＮＧＣＨＵＮＵＮＩＶＥＲＳｎＹＪｕｎｅ２０１０半金属石墨烯纳米带的研究付志雄，毕冬梅（长春大学理学院，吉林长春１３００２２）摘要：半金属性在以自旋为基础的电子学中具有潜在的应用价值。本文利用第一原理计算描述了纳米尺寸ＧＮＲ的半金属性质，计算结果表明：对锯齿型石墨烯纳米带加一个均匀一致的横向电场时，即可使锯齿型纳米带转变为半金属，实现体系半导体一半金属转变。这一结果对理解电场和固体中电子自旋自由度相互作用方向具有科学意叉。同时为制备石墨片基纳米尺度自旋器件开辟了道路。关键词：密度泛函理论；石墨烯纳米带；第一原理中图分类号：ＴＢ３８３文献标志码：Ａ文章编号：１００９—３９０７（２０１０）０６－００１３—０２Ｏ引言元素周期表中的碳是最令人感兴趣的元素之一，它具有许多同素异形体，如：远古时期人们就熟知的金刚石和石墨，以及早些年人们发现的富勒烯和碳纳米管。但是，直到２００４年，英国曼彻斯特大学研究小组才首次获得了真正意义上的二维形式的碳——石墨烯片…，并立即在科学界引发了研究热潮旧。Ｊ。作为一种新型的纳米材料，石墨烯比碳纳米管更稳定、更易控制和生产；而在几何结构上又是二维的平面结构，所以现代标准的平板微加工技术同样适用于设计和制作未来以石墨烯为基础的微电子器件。尽管由石墨烯制成的微处理器在短时间内难以实现，但是，人们乐观地认为，以石墨烯为基础的微电子技术与器件可能在未来将占统治地位‘５１。石墨烯及其衍生物诱人的物理性质和在纳米电子学中潜在的应用价值，为研究低维物理现象提供了一个很好的机遇，将石墨烯进行剪裁可形成一维的纳米带（ＧＮＲ）。从结构上说，ＧＮＲ与碳纳米管（ＣＮＴＳ）密切相关，根据ＧＮＲＳ边缘处碳原子具有的不同拓扑形状，也可将其分为扶手椅型石墨烯纳米带（ＡＧＮＲＳ）和锯齿型石墨烯纳米带（ＺＧＮＲＳ）ＨＪ。ＺＧＮＲＳ两边具有特殊的局域电子态悼Ｊ，此边缘态沿边缘向带中心衰减，并在费米能级处形成双重简并的平滑能带。为使体系具铁磁性，其基态为反铁磁有序，两侧自旋方向相反，但同侧自旋方向一致，即总自旋为０。由于Ｅ，附近态为边缘态及其线性组合，可预言＃１－力１１横向电场对这些态影响应很大怕Ｊ，而对具费米能级远的地方的态影响小。本文采用第一原理密度泛函理论，详细探讨了宽带为１．６ｎｍＺＧＮＲＳ在外加不同大小横向电场作用下其电子结构变化。讨论了电子结构与电场之间的关系，并将计算结果进行了对比分析。ｌ计算方法本文理论计算主要是基于密度泛函理论（ＤＦＴ），采用ＭａｔｅｒｉａｌｓＳｔｕｄｉｏ程序包中的ＣＡＳＴＥＰ模块完成的。在计算相关性能之前，首先对ＺＧＮＲＳ进行了几何优化，并采用从头算赝势ＤＦＴ理论研究ＺＧＮＲＳ包含自旋的电子结构。使用数值化的原子轨道作为基矢，应用广义梯度近似（ＧＧＡ）方法处理电子间交换关联作用，并采用了Ｐｅｒｄｅｗ、Ｂｕｒｋｅ和Ｅｒｎｚｅｒｈｏｆ（ＰＢＥ）所提出的关联梯度修正泛函。基函数采用双数值极化基组（ＤＮＰ）。几何优化能量收敛判据为１０‘５Ｈａ，最大迭代次数为２００，Ｃ—Ｃ键长选１．４２埃。我们对氢饱和ＺＧＮＲＳ不同大小的匀强电场，电场沿ｌ，轴方向，并与纳米带在一个平面内（如图１所示）。施加外电场以后，重新优化了ＺＧＮＲＳ几何结构，并计算了其电子结构。２结果与讨论我们选取ＺＧＮＲＳ作为研究对象，并对纳米带边缘用氢原子进行饱和使其结构更加稳定。图ｌ为选取的收稿日期：２０１０－０４—１０作者简介：付志雄（１９５６－），男，辽宁海城人，实验师，主要从事材料摸拟计算方面研究。１４长春大学学报第２０卷ＺＧＮＲＳ元胞结构，Ｘ方向为ＺＧＮＲＳ的周期性方向，在ＺＧＮＲＳ横向方向加入不同大小电场（图ｌ中昱即为电场方向），探求电场对氢原子饱和ＺＧＮＲＳ电子结构的影响。为防止场发射的产生，我们在计算中严格控制电场强度的大小。我们首先在未加电场情况下，对所选取模型进行了几何优化，继而计算了不同外加电场大小情况下氢原子饱和ＺＧＮＲＳ电子结构。图２为外加电场分别为：０．ｏｏｖ／ＡＶ／ｎｍ、０．０５ｖ／Ａ、０．１０Ｖ／ｙＡ、Ｏ．１５ｖ／Ａ、０．２０ｖ／Ａ情况下，ＺＧＮＲＳ费米面附近的能带结构（从一１．５ｅＶ到１．５ｅＶ之间的能量区）。此时，边缘碳原子为ｓｐ２杂化，在ｘ—ｙ平面内，碳原子三个ｓｐ２杂化轨道分别与相邻的碳原子和氢原子构成矿键，边缘碳原子Ｐ：轨道与六方网格中的其余碳原子构成大叮ｒ键。ＺＧＮＲＳ这种几何结构决定了其具有特殊的边缘ＬⅣ图１氢原子饱和锯齿型石墨烯纳米带模型（黑色原子代表Ｃ。白色原子代表Ｈ）态。考虑自旋自由度，从图２的计算结果表明：不加外电场时，基态为反铁磁有序态，叮ｒ带顶和叮ｒ’带底分别位于费米能级上下，形成一个较小的能隙，并且Ｑ自旋和Ｂ自旋方向是简并的。随外加电场的增加，仅自旋和卢自旋方向能带简并消除，其中，ａ自旋方向能隙减小，而多自旋能隙增加。当外加电场场强度达一定大小时，ＺＧＮＲＳ转变为半金属，即一个自旋方向为绝缘行为，另一个表现金属行为。对我们选取的纳米带模型，外场为Ｅｅｘｔ＝０．２ｖ／Ａ时，ａ白旋方向能隙完全闭合为０，而口自旋能隙仍旧很大，约为０．６ｅＶ。此外，从图中还可以看出，随外场进一步增大，ｄ自旋方向电子能隙从直接带隙转变为间接带隙，见图２。０Ｖ，Ａ００５Ｖ，Ａ０．１０Ｖ／Ａ０１５Ｖ，Ａ０．２０Ｖ，Ａ图２电场作用下氢原子饱和锯齿型石墨烯纳米帝能帝结构在前面的讨论中我们看到，边缘氢原子饱和ＺＧＮＲＳ在外加横向电场的作用下使体系实现了从半导体一半金属转变。这说明外场增加：导致两边缘自旋相互转化，因此总的自旋极化减小、能隙劈裂，即外部电场影响了半导体和半金属行为。３结论在本文中我们利用第一原理密度泛函理论计算了氢原子饱和、电场作用下具有１６个碳原子宽度ＺＧＮＲＳ的电子结构。我们发现，外加横向电场的增大导致能带简并消除，体系实现了半导体一半金属转变。当外电场大小为０．２Ｖ／Ａ时，Ｏｔ自旋方向能隙完全闭合为０，体系表现为半金属行为。相应的计算结果表明氢原子饱和ＺＧＮＲＳ可在电场作用下成为有效的自旋填充器件，从而使得其在自旋阀方面具有潜在的应用价值。参考文献：［１】Ｎｏｖ０６ｅｌｏｖＫＳ，Ｇｅｉｍ６６９．ＡＫ，ＭｏｎｒＬｏｗＳＶ，ｅｔａ１．ＥｌｅｃｔｒｉｃＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔｉｎＡｔｏｍｉｃａｌｌｙＴｈｉｎＣａｒｂｏｎＦｉｌｍｓＥＪ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ．２００４，３０６（５６９６）：６６６—［２］ＤｕｔｔａＳ。ＭａｎｎａＡＫ，ＰａｉｌＳＫ．ＩｎｔｒｉｎｓｉｃＨａｉｆ－ＭｅｔａｌｌｉｃｉｔｙｉｎＭＭｉ？ｅｄＧｒａｐｈｅｎｅＮａｎｏｒｉｂｂｏｒｍ［Ｊ】．ＰｈｙｓｉｃａｌＲｅｖｉｅｗＬｅｔｔｅｒｓ。２００９。ｔ０２（９）：０９６６０１一ｌ一４．Ｉ下转第加页）长春大学学报［８】Ｘ．ＮｉｅｔＡ，Ｉ竹ｌａｌｌｄ，Ａ．Ｍ砒ｔｌＩ州ｓ．Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｂｉｏｃｅｒａｍｉｃ第２０卷０ｆｍｉ?ｃ啪地ｏｘｉｄａｔｉｏｎ【９】ａｎｄｅｌｅｃ埘ｏｒｅｓｉｓ．ｓＩｌ讥Ｊ３．Ｃｏａｔ．Ｔｅｃｈｎ０１．，２０００，１２Ｓ（１—３）：４０７－４１４．ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｌａｙｅｒｅｄｈｙｄｍｘｙａｐｍｉ们ｉ０２Ｃｏａｔｉｎｇｓ帅ｔｉｔａｎｉｕｍａｌｌｏｙｓｕｓｉｎｇ。ｂｙｂｉｒｄｔｅｃｈｎｉｑｕｅｖｉｒｔｕｅＩｎｋＨａｎ，抽Ｉｂ诹Ｃｈｉｃ。Ｂ∞Ｈ０ｎｓｚＩｌ硒．Ｃｈａｎｇｅｓｉｎａｎｏｄｉｚｅｄｔｉｔａｎｉｕｍ蛐面槐咖叫“ｏ科ｂｙ［Ｊ］．Ｃｏａｔ．Ｔ∞ｈｎｄ．。２０ｃｒ７。加ｌ（９一１１）：５５３５—５５３６．ｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔ“ｐ０Ｉ盯Ｄｃｐｕｌｓｅ蜘Ｖｅｈｍ．ｓｕｒｆｍｉｃｒｏａｍ［１０］ＸｉｊｉｎＬｉ，ＸｉａｏｌｉｎｇＷｕ，ＷｅｎｂｉｎＸｕｅ．．ｓｔｎＩｃｔｕｒｅｓａｎｄｏｆ傀姗ｉｃｌｉｌＩｌ坞ｏｎＴｉＡＩｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃｃｏｍｐｏｕｎｄｆａｂｒｉｃａｔｅｄｂｙｏｘｉｄａｔｉｏｎ［Ｊ］．ｓｌＩ正Ｃｏａｔ．亿ｈ舯ｌ，２００７，２０１（９一１１）：５５５６—５５５９．张欣宇。方明，石玉龙．处理液参效对铝台金微弧氧化的影响［Ｊ］．材料保护，２００２，３５（８）：３９—４１．责任编辑：钟声Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｃｅｒａｍｉｃｃｏａｔｉｎｇｓｐｒｅｐａｒｅｄｂｙｍｉｃｒｏ－ａｒｅｏｘｉｄａｔｉｏｎＳＵＮＨａｄ－ｙａｈ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，ＣｈａｎｇｅｈｏｎＡｂｓｔｒａｃｔ：Ｍｉｃｒｏ－ａｒｃｏｘｉｄａｔｉｏｎ．ａｌｓｏＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ。Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００２２。Ｃｈｉｎａ）ｏｒｃａｌｌｅｄａｎｏｄｉｃｏｘｉｄａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｐｌａｓｍａ－ｅｎｈａｎｃｅｄｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ０１１ｃｅ枷ｃｃｏａｔｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏ－ｒｅｃｅｎｔ舒，ｗｈｉｃｈｉｓａｎｅｗａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｕｒｆａｃｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｐｌｅｎｔｙｏｆｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｈａｖｅｂｅｅｎｄｏｎｅｍｉｃｒｏ－ａｒｅｏｘｉｄａｔｉｏｎｉｎｙｅａｒｓ，ｈｏｗｅｖｅｒ，ｍｏｓｔｏｆｃｈａｎｇ伪ｏｎｔｈｅｍ眦ｆｏｃｕｓｅｄｏｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎａｎｄｔｅｓｔｉｎｇｏｆｃｅｒａｍｉｃｈｙ啪．Ｔｉｍｅ－ｖａｒｙｉｎｇｆａｃｔｏｒｓ，ｓｕｃｈ丛ｅｌｅｃｔｒｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒ，ｃｏａｔｉｎｇｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓ，ｃｏａｔｉｎｇｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎａｎｄｍｉｃｒｏｓｔｍｃｔｕｒｅｄｕｒｉｎｇｍｉｃｍ－ａｒｃｏｘｉｄａｔｉｏｎｐｒｏｃｅ鸽ａｌｅｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙＫｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏ—ａｒｃｏｘｉｄａｔｉｏｎ；ｃｅｒａｍｉｃｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｇｒｏｗｔｈｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．ｔｒｅａｔｍｅｎｔｃｏａｔｉｎｇ；ｓｕｒｆａｃｅｆ上接第１４页｝［３］ＢａｒｏｎｅＶ，ＨｏｄＯ，ｓ．：ｕｓｅｒｉａＧＥ．ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＳｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄ”４８一”５４．［４］［５］ＳｔａｂｉｌｉｔｙｏｆＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇＧｒａｐｈｅｎｅＮａｎｏｒｉｂｂｏｎｓ［Ｊ】．ＮａｎｏＬｅｔｔｅｒｓ，２００６，６（１２）：欧阳方平，徐慧．魏辰．Ｚｉｇｚａｇ型石墨纳米带电子结构和运输性质的第一性原理研究［Ｊ］．物理学报，２００８，５７（２）：１０７３—１０７７．ＧｕｎｌｙｃｋｅａＤ，ＬｉＪ，ＭｉｎｔｍｉｒｅＪＷ，吼ａ１．Ａｌｔｅｒｉｎｇｌｏｗ—ｂｉａｓｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｎｚｉｇｚａｇ－ｅｄｇｅｇｒａｐｈｅｎｅｎａｎｏｓｔｒｉｐｓｗ／ｔｈｅｄｇｅＣｈｅｍｉｓｔｒｙ【Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｍ。２００７。９１（１１）：１１２１佣一ｌ一３．［６］ＨｏｄＯ，ＢａｒｏｎｅＶ，ＰｅｒａｈａＪＥ，ｄａ１．ＥｎｈａｎｃｅｄＨａｌｆ－ＭｅｔａｌｌｉｃＲｙｉｎＥｄｇｅ－ＯｘｉｄｉｚｅｄＺｉｇｚａｇＧｒａｐｈｅｎｅＮａｎｏｒｉｂｂｏｎｓ［Ｊ】．ＮａｎｏＬｅｔｔｅｒｓ。２００７。７（ｓ）：２２９５—２２９９．责任编辑：钟声ＡｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｓｅｍｉｍｅｔａｌｇｒａｐｈｅｎｅｎａｎｏｒｉｂｂｏｎｓＺｈｉ?ｘｉｏｎｇ，ＢＩＦＵＤ０喈ｍｅｉｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｄｉｃｔｓｈａｌｆ－ｍｅｔａｌｌｉｅｉｔｙｉｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，ＣｈａｎｇｃｈｕｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００２２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｓｅｍｉｍｅｔａｌｈａｓｐｏｔｅｎｔｉａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｖａｌｕｅｉｎｓｐｉｎ－ｂａｓｅｄｎａｎｏｍｅｔｒｅ—ｓｃａｌｅｇｒａｐｈｅｎｅｒｉｂｂｏｎｓｉｓａｃｔｅｄｗｉｔｌｌａｂｙｕｓｉｎｇｆｉｒｓｔ－ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｗｈｅｎｔｈｅｃｒｅｎｅｌｌａｔｅｄ孕＇ａｐｈｅｎｅｎａｎ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毕冬梅， FU Zhi-xiong， BI Dong-mei长春大学,理学院,吉林,长春,130022长春大学学报（自然科学版）JOURNAL OF CHANGCHUN UNIVERSITY)参考文献(6条)1.Novoselov K S.Geim A K.Morozow S V Electric Field Effect in Alomically Thin Carbon Films[外文期刊])2.Dutta S.Manna A K.Pali S K Intrinsic Half-Metallicity in Modi? ed Graphene Nanoribbons 2009(09)3.Barone V.Hod O.Scuseria G E Electronic Structure and Stability of Semiconducting GrapheneNanoribbons[外文期刊] 2006(12)4.欧阳方平.徐慧.魏辰 Zigzag型石墨纳米带电子结构和运输性质的第一性原理研究[期刊论文]-物理学报2008(02)5.Gunlyekea D.Li J.Mintmire J W Altering low-bias transport in zigzag-edge graphene nanostrips withedge Chemistry 2007(11)6.Hod O.Barone V.Peraha J E Enhanced Half-Metallicity in Edge-Oxidized Zigzag Graphene Nanoribbons[外文期刊] 2007(08)本文读者也读过(3条)1. 于陕升.郑伟涛.Yu Shansheng.Zheng Weitao 氮原子吸附锯齿型石墨烯纳米带第一原理研究[期刊论文]-中国科技论文在线)2. 孔晓岚.熊永建.KONG Xiao-lan.XIONG Yong-jian 石墨烯纳米十字结电子输运性质[期刊论文]-宁波大学学报（理工版）)3. 黄铁铁.HUANG Tie-tie 石墨烯电子能带结构的计算[期刊论文]-湖南理工学院学报（自然科学版）)本文链接：.cn/Periodical_ccdxxb.aspx本文由()首发，转载请保留网址和出处！
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