含有碳链通道的石墨烯纳米带电子特性的第一性原理研究.pdf

2013年 1月 四川师范大学学报(自然科学版) Jan．，2013 第36卷 第 1期 JournMofSichuanNormMUnive~ity(NmurMScience) Vo1．36．No．1 含有碳链通道的石墨烯纳米带 电子特性的第一性原理研究 曾 晖 ， 赵 俊 ， 韦建卫 ， 郑 艳 ， 田 雕 (1．长江大学物理科学与技术学院，湖北荆州434023；2．重庆理工大学 理学院物理系，重庆400054) 摘要：采用第一性原理的密度泛函理论结合非平衡格林函数的计算方法，研究了含有多碳链通道的石 墨烯纳米带的原子结构、电子能带结构与电子输运特性．结果表明，移除大量原子后含有双碳原子链的纳米 带的能隙显著增大，这说明电子从占据态到未 占据态的跃迁将更加困难；并且最高占据子能带与最低未占 据子能带几乎与费米能级平行，说明边缘态几乎完全消失．电子输运特性的计算结果与电子能带结果是自 洽的，碳链的引入导致纳米带电导隙的增大和费米能级位置电导的湮没．这说明通过电子束轰击的方式裁 剪纳米带的原子结构来制备集成度更高、尺度更小的一维半导体纳米器件是可行的． 关键词：第一性原理；石墨烯纳米带；原子结构 ；电子能带结构 中图分类号：0569； O471．1 文献标志码：A 文章编号：1001—8395(2013)Ol一0087—05 doi：10．3969／j．issn．1001—8395．2013．01．019 石墨烯是新颖的碳基纳米材料，自从2004年 影响材料的电子态和材料的导电性_】．在制备过 曼彻斯特大学的K．S．Novoselov等 I2采用机械 程中，沿着石墨烯片不同方向刻蚀就可以得到边缘 剥离法成功制备并表征稳定存在的单层石墨烯结 为锯齿形(ZGNR)或扶手椅形的石墨烯纳米带．紧 构以来，其特殊的电学特性和潜在的应用前景吸引 束缚计算方法研究表明锯齿型石墨烯纳米带呈现 了理论研究者和实验研究者的广泛关注 ．石墨 金属性，而且在费米能级附近具有显著的边缘态； 烯是由碳六元环组成的两维周期蜂窝状点阵结构， 而扶手椅型石墨烯纳米带的能隙随着带宽的变化 它优异的输运特性使之成为纳米 电子学的理想材 呈现周期性变化的特征 J．锯齿形纳米带因其表现 料-2J．石墨烯更为奇特之处是它具有独特的电子 出定域 自旋极化特性而 吸引 了更为广泛地关 结构和电学性质，其电荷载流子由狄拉克方程来描 注 1‘．此外，锯齿型石墨烯纳米带未成对的边界 ，r／ 述 J．因此，石墨烯片晶体具有异常的电子性质，例 7r 电子呈现磁有序态，因而锯齿型石墨烯纳米带 如低温下的反常量子霍尔效应H J、室温下的量子 呈现出铁磁性特点 J．F．M．Rojas等 采用锯齿 霍尔效应 J、双极性电场效应 2等．但是当石墨烯 形纳米带连接两端的金属石墨烯电极，研究表 明此 片的尺寸被裁剪至 100nm 以下时，由于量子限域 电子器件表现出优异的巨磁阻特性． 效应，石墨烯片将呈现半导体性 ．由此，根据具体 为了使得基于石墨烯纳米带的纳米电子器件 应用的需要，人们可 以采用机械剥离、电子束蚀刻 得以实现，核心问题就是控制石墨烯纳米带样品的 和控制石墨烯的外延生长等方法来调制石墨烯片 电子输运特性．但在石墨烯纳米带的制备过程中， 的电子结构 J，其中，最引人关注的就是条状的石 不可避免地存在各种缺陷，例如：拓扑缺陷、空位和 墨烯片，即石墨纳米带 ．石墨纳米带是具有一 杂质原子缺陷，这些缺陷将影响石墨烯纳米带的性 定宽度、无限长度的准