缺陷和形变对石墨烯纳米带中激子发光效率的影响研究

In the past decade, due to their special mechanical, electrical, optical and thermal properties, the graphene nanoribbons have become one of the hottest areas in the condensed matter physics and material science. Recent studies have shown that the exciton effects dramatically change the optical response of these quasi-one-dimensional structural materials. The key factor which affects the material application on optical properties is how to improve the exciton luminous efficiency in graphene nanoribbons. In this project, we will systematically study exciton photoluminescence efficiency in graphene nanoribbons, discuss the possibility of lightening the dark excitons and becoming another channel for optical radiation by the induced defects. We will also discuss the influence of strains on the exciton luminescence efficiency. From these studies, we hope to offer a direction of enhancing the luminescence efficiency in graphene nanoribbons, which can provide theoretical basis for future applications in nano-optoelectronics of there materials.

在过去的十年中，石墨烯纳米带凭借其奇特的力学、电学、光学以及热学等性质，已经成为凝聚态物理和材料科学的研究热点之一。对于具有准一维纳米结构的材料来说，近年来的研究表明激子效应对其光致发光谱起着十分重要的作用。如何提高该材料中的激子发光效率是影响材料在光学方面应用的关键因素之一。本项目在非正交基紧束缚模型下系统研究石墨烯纳米带中的激子发光效率，重点探讨缺陷的引入使得暗激子态转化为亮激子态的可能性，以及缺陷态成为光辐射另一通道的条件。通过研究形变对激子效应的影响来探索激子发光效率在形变下的变化规律，最终确定提高石墨烯纳米带中激子发光效率的有效途径，从而为该类材料在纳米光学器件中的应用提供理论指导。

石墨烯纳米带的光学性质一直是凝聚态物理和材料科学的研究热点之一，系统地研究其光学性质有助于其在纳米光电子器件中的应用。研究表明在准一维纳米结构材料中，激子效应成为影响其光学性质的主要因素。本项目以探索石墨烯纳米带中的激子发光效率为研究目标, 主要在非正交基紧束缚模型下，系统地研究拉伸形变、空位缺陷以及Stone-Wales缺陷对石墨烯纳米带中激子激发能、激子束缚能以及激子发光效率的影响。项目按照预定计划和目标开展，我们主要进行了四个方面的研究：1）研究了拉伸形变对纳米碳管中激子效应的影响，发现激子激发能和束缚能随着拉伸形变的增大都呈现出明显的变化，而且这种变化与纳米碳管的种类密切相关。这一计算结果与第一性原理得到的结果符合的很好，为下一步的研究打下了坚实的基础。2）研究了拉伸形变对armchair边石墨烯纳米带中的激子束缚能以及暗-亮激子之间的束缚能差的影响，研究结果表明拉伸形变的引入可以显著的改变激子的束缚能以及亮-暗激子之间的能量差，进而可以通过引入拉伸形变来调节石墨烯纳米带中的激子发光效率。3）研究了空位缺陷的引入对armchair边石墨烯纳米带中光学吸收谱的影响，研究表明空位缺陷的引入使得石墨烯纳米带的几何结构发生了改变，从而使得暗激子态转化为亮激子态成为可能，进而能影响激子的发光效率。4）研究了Stone-Wales缺陷对armchair边石墨烯纳米带中激子效应的影响。研究表明，石墨烯纳米带的光学吸收谱在引入缺陷后产生了劈裂现象，这一劈裂有可能为光学激发提供另一种可能的通道，有望提高激子的发光效率。本项目的研究结果表明拉伸形变、空位缺陷以及Stone-Wales缺陷均能在一定程度上改变激子的性质，从而可以作为调节石墨烯纳米带光学性质的有效手段。