石墨烯电子能带结构的计算

石墨烯电子能带结构的计算作者：黄铁铁，HUANGTie-tie作者单位：湘南学院,物理系,湖南,郴州,423000刊名：湖南理工学院学报（自然科学版）英文刊名：JOURNALOFHUNANINSTITUTEOFSCIENCEANDTECHNOLOGY年，卷(期)：2010，23(2)被引用次数：0次参考文献(3条)1.A.H.CastroTheelectronicproperticesofgrapheme2009(1-3)2.MikhailI.KatsnelsonGraphene:carbonintwodimensions20073.N.M.R.Peres.RicardoM.RibeiroFocusongraphene2009(11)相似文献(7条)1.学位论文李敏斯石墨烯中的理论研究2008石墨烯是由碳原子构成的二维单层六边形格点，自2004年发现以来，它就引起了物理学界的广泛关注，成为一个重要的基础研究方向，在石墨烯的理论研究中，学术界主要采用两个模型：紧束缚近似模型和有效质量理论，在本文中，我们分别从这两个角度讨论了不同的关于石墨烯的性质.br　　首先，以紧束缚近似为基础，本文第二章中讨论了量子群在Hofstadter问题中的循环表示，并将之推广应用到石墨烯，得到以恒定磁场中石墨烯的能量本征态为基的量子群循环表示.为了得到石墨烯中的磁平移对称性算符，本文先将石墨烯的Hamiltonian取平方，于是Hamiltonian便变成了一个三角形格点的Hamiltonian，然后将这个Hamiltonian与方形晶格的磁平移对称性比较，最终得到了石墨烯中的磁平移对称性算符.在磁平移对称性基础上，由Heisenberg-Weyl对易关系，我们进一步得到一组量子群的算符，同时我们发现了以能量本征态为基的循环表示，并根据这一表示讨论了在石墨烯中的Hofstadter问题的能级简并密度，br　　接下来的工作都是基于石墨烯的有效质量理论，本文第三章中通过对石墨烯的有效质量理论-Dirac方程的求解，讨论了包含PN结的石墨烯中电子运动的Aharonov-Bohm效应，其中电子运动的路线利用石墨烯中PN结的特性来构成一个环路，最终得到局域流密度相对于磁通的变化.在主流的研究中，关于石墨烯的Aharonov-Bohm效应一般强调两点：1)主要讨论环形的石墨烯系统，2)强调南于磁通引起的valley能量简并的破缺所导致的物理效应，与主流的研究不同的是，我们利用了石墨烯中PN结的电子负折射透镜的性质，利用几个PN结构成了电子运动的一个闭合路线，然后在中间加入磁通，从而讨论Aharonov-Bohm效应的可能性，我们的讨论结果显示了了Dirac方程的相对沦性质对Aharonov-Bohm效应的影响.br　　本文第四章根据Landauer公式，计算了含有两个势阱的石墨烯带状模型中的电导，得到由于电子经过势阱之间的区域所构成的干涉效应对电导的影响.本部分是基于Quantum-limitedshotnoiseingraphene，Phys.Rev.Lett.96，246802(2006)的文章，存该文献中，讨论了含一个势阱的石墨烯带状模型中的电导及Fano因子(也就是电导的涨落系数)，发现在这种情况下，1)存在一个恒定的电导率，这是在普通的完美品格模型中所没有的，2)Fano因子和无序金属的相同，本文将该文献的讨论推广到两个势阱的情况，结果发现一种干涉效应：当电子波通过势阱中间的区域所获得的相位为2π时，现象和文献的一致；而当相位为π时，则得到不同的现象，这时Fano因子为0，也就是电导无涨落，同时电导以对数形式依赖于和系统形状有关的因子.2.学位论文彭昕祥石墨烯纳米带光电性质研究2009石墨烯（graphene）因其特殊的结构和物理性质已成为凝聚态和材料研究领域的热点之一．石墨烯具有内部无缺陷、体积微小、量子尺寸效应显著等特性，此外其独特的空间结构以及原子间强共价键结合等因素决定了它有着不同于一般二维物理系统的特性。Graphene集碳纳米管和分子电子器件等功能于一身，具有许多优异而独特的物理、化学和机械性能，在微纳电子器件、光电子器件、自旋量子器件以及新型复合材料方面有着广泛的应用前景，本文从碳原子的sp2杂化理论和能带理论出发，初步研究了单层碳原子晶体（graphene）的形成及其电子结构，在此基础上，讨论了石墨烯纳米条带色散关系，进而得到了graphene的光电性质．全文共分为五章．第一章简要介绍了graphene的研究历史与现状．第二章研究了由碳原子轨道波函数的线性组合，计算出了graphene共价键sp2杂化轨道波函数的具体表达式，分析了其晶格几何结构，并介绍了graphene的试验制备与应用前景，第三章从能带理论出发，运用紧束缚近似方法计算出了石墨烯的能带结构，进而推导出了石墨烯Dirac电子的公式，并讨论了其性质．第四章研究了石墨烯条带的光电性质．我们在石墨烯的电子结构基础上计算出了石墨烯条带的色散关系，画出纳米带色散关系图、联合态密度图和实电导图，进而得出了其条带初步的光电性质．第二章、第三章和第四章的主要内容是我们自己的工作。第五章我们对本文的工作进行了总结与归纳，并对这一研究领域的发展前景作了简要的展望．3.期刊论文尹海宏.顾菊平.YINHai-hong.GUJu-ping大口径单壁纳米碳管碰撞生长机制的研究-湖北民族学院学报（自然科学版）2006,24(4)利用紧束缚分子动力学模拟方法,模拟了单壁碳纳米管与两个石墨烯片之间的碰撞过程,发现一定长度和宽度的两片石墨烯片与开口单壁纳米碳管的碰撞在一定的能量下会形成更大口径的两端口封闭的单壁纳米碳管.这可能也是一种大口径碳纳米管的生长机制.4.学位论文廖文虎石墨烯纳米带电光性质及应力调控研究2010石墨烯(碳原子单层或几层)因其特殊的结构和性能，自2004年底成功制备以来，迅速成为凝聚态物理、材料、化学、信息和生物技术等学科领域的交叉研究热点之一。石墨烯集碳纳米管和分子电子器件的功能于一身，具有许多优异而独特的物理、化学和机械性能，在微纳电子器件、光电子器件、自旋量子器件以及新型复合材料方面有着诱人的应用前景。准一维的石墨烯纳米带既能展现量子受限体系的特性，又是基于石墨烯纳米器件的基本单元，其物理性质更受到特别关注.本学位论文工作以石墨烯纳米带(含碳纳米管)电光性能及其应力调控研究为主要内容。全文共分为五章。br　　第一章绪论部分，简要介绍了碳纳米管和石墨烯的发现及实验制备，石墨烯中的奇异物理现象和石墨烯及其纳米带在微纳电子学中的潜在应用。br　　第二章，利用非平衡格林函数方法，研究外加纵向极化高频电磁场作用下金属型锯齿碳纳米管的电子输运性质和光学性质.结果表明，系统电子态密度敏感依赖于电子能量以及外场强度和频率.当辐照场频率大于碳纳米管与电极间的耦合时，系统电导随辐照强度的增强而下降，随辐照频率的增加而振荡上升，并定量探讨了体系的光学介电函数及电子能量耗散谱。同样基于非平衡格林函数技术，研究了外加电磁场辐照下Λ形单壁碳纳米管结的电子输运性质。研究结果表明系统的稳态透射系数敏感依赖于电子能量，而光子辅助透射系数和电导敏感依赖于外场强度和频率。br　　第三章，在半导体带间跃迁理论和偶极近似的基础上，利用线性响应理论，我们研究了外加高频纵向极化电磁场辐照的扶手椅型石墨烯纳米带的光学性质。发现扶手椅型石墨烯纳米带的的电导率实部、光学介电函数以及电子能量耗散谱等输运性质和光学性质对辐照场频率十分敏感，预计了石墨烯纳米带一些新的直接带隙光跃迁。另外，关于锯齿型石墨烯纳米带光学特性的研究表明，由于边沿态的存在，其光学特性比扶手椅型的更丰富.这些现象可能通过扫描隧道显微技术和光谱测量进行观测，其结果对基于石墨烯纳米光电子器件的设计有参考价值。br　　第四章，利用紧束缚近似方法，得出了外加非轴向应变对扶手椅型石墨烯纳米带的电子能带色散关系近似表达式，并利用第一性原理AtomisticToolkit程序包进行了交叉验证。即先对应变下的扶手椅型石墨烯纳米带进行几何结构的优化，得到优化后数值计算的色散关系并与解析结果进行比较。研究结果表明，外加应变能有效地调节半导体型扶手椅石墨烯纳米带的带隙，并打开金属型扶手椅石墨烯纳米带的带隙.还计算得到了应变下扶手椅型石墨烯纳米带的电子态密度和透射谱，半导体型6-和金属型8-扶手椅石墨烯纳米带的I-V特性曲线及其带间光学吸收谱，并给出了对应的光学吸收频率和幅度，发现外加非轴向应变能有效地调节扶手椅型石墨烯纳米带光学吸收的频谱范围和强度大小.然后，基于相同的软件，我们还研究了外加非轴向应变下6-和8-锯齿型石墨烯纳米带的电子结构、输运性质及光学性质。研究表明，锯齿型石墨烯纳米带的能带结构对外加应变并不敏感，但外加应变仍能有效地调节其I-V特性曲线及光学吸收的频率和强度，还发现应变作用下8-锯齿型石墨烯纳米带的负微分电导现象，这在纳米整流器件的设计方面将很有意义。br　　第五章，对本文的工作进行了总结与归纳，并对石墨烯光电性质及其应力调控这一研究领域的发展前景作了简要的展望。5.学位论文欧阳玉碳纳米管结构研究2008首先对碳纳米管(CNTs)的研究进展与现状——制备与纯化、理化性质、应用前景、研究领域、研究方法及研究成果等进行了全面评述，并对CNTs的原子结构、布里渊(Brillouin)区特点及与石墨的关系进行了系统探讨。在此基础上，重点研究了碳纳米管的电子结构、键结构与轨道再杂化、孔结构与储氢特性及其结构稳定性等问题。利用紧束缚模型得出了处于外磁场中的手性单壁碳纳米管(SWNTs)的电子能量色散关系的解析表达式。研究发现，手性SWNTs的能量色散(状态)关系随外磁场变化出现以φ=φ0(h/e)为周期的连续转变现象。考虑卷曲效应后，椅型碳纳米管的能隙仍然为零。对于(n,m)管而言，当n-m=3J(J为非零整数)时，则为小能隙半导体管。小能隙半导体管的能隙约为0.1eV。在很多情况下，都可以将满足条件，n-m=3J的碳管在室温下视为金属管。同时，对于管径较大的碳纳米管而言，基于紧束缚近似的带折叠方法得到的结果仍然有效。对于小管径碳纳米管，卷曲效应非常明显，在σ键和π键之间会出现再杂化现象，布里渊区折叠方法不再适用，一般只能用从头算方法讨论其电子特性。分析CNTs卷曲效应对其物理特性的影响的主要困难之一就在于能否准确掌握石墨烯片卷曲形成碳纳米管后，其万轨道偏转的基本规律。目前，学者们在研究上述问题时，大多采用了CNTs的π轨道仍然垂直于其表面的“石墨烯近似”模型。这是一种过于简化的处理方式。事实上，石墨烯片卷曲形成碳纳米管后，其π轨道已经不再与其表面垂直，σ键与π键之间出现“再杂化”现象。在提出CNTs的π键偏转角度δ后，虽然不再与碳纳米管表面垂直，但与三个σ键之间的夹角仍然相等；由于对称性，锯齿型碳纳米管的π键必定在tz平面上向t轴方向倾斜，并与z轴成δ角、椅型碳纳米管的π键必定在cZ平面上向c轴方向倾斜，并与z轴成δ角等假定的基础上，通过详尽的分析论证，得出了石墨烯片卷曲形成碳纳米管后，π轨道偏转角、σ电子和π电子波函数以及轨道“杂化度”的解析表示式及其相应的数值计算结果。同时得出结论：偏转角δ随手性指数(碳纳米管直径)的增大而减小；碳纳米管轨道再杂化与手性指数和管径相关，在碳纳米管π轨道波函数中，不仅有σ键成份，而且还有s轨道成份，这正是碳纳米管轨道再杂化的基本特征；碳纳米管轨道杂化度反映的是CNTs中σ键含有的π键成份和π键中含有的s轨道成份，它是碳纳米管管径和手性指数的函数。对碳纳米管的孔结构及其储氢特性进行深入研究后发现，在室温下，量子效应是影响碳纳米管吸附氢的重要因素；除非在极低压下，一般情况碳纳米管阵列的储氢容量都比狭缝形孔的理论预期要低。碳纳米管的热处理温度对碳纳米管的电化学储氢性能有较大的影响。实验结果表明，在相同的充放电条件下，850℃时CNTs-LaNi5电极的储氢性能最好，克容量最大为503.6mAh/g