石墨烯纳米带与衬底相互作用的第一性原理研究

Graphene has been attracting great interest because of its unique band structure and physical properties, and has been considered as one of the most promising materials for future nanoelectronics, optoelectronics, and transistors. A key open question is how the strong bonding interactions between the semiconductor substrate and the edge of graphene nanostructures influence the physical properties of graphene nanostructures and the performance of graphene nanoelectronics. In this project, we plan to systematically study the structure and electronic properties of substrate/graphene-nanoribbon system using first-principles calculations based on density functional theory. After obtaining the detailed geometries of graphene nanoribbon on semiconductor substrate from the simulation, we will analyze the bonding interaction between the substrate and the graphene nanoribbon and the resulting charge transfer, especially between the substrate and the edge atoms of the nanoribbon. By comparing the adsorbed graphenen nanoribbons and free-standing nanoribbons, we can analyze the substrate effects on electronic structure and magnetic properties of graphene nanostructures. Furthermore, we will consider the interaction between substrate and N-doped graphene nanoribbons as an additional way to tune the properties of graphene nanostructures, focusing on the interaction between substrate and the dopants and its influence on the properties of the graphenen nanoribbon as a function of dopant sites and dopant concentrations.

因其独特的能带结构及物理性质，石墨烯引起了广泛的关注，被认为是制备新型纳米电子元件、光电子元件和晶体管的最优良材料之一。石墨烯纳米结构边缘与半导体衬底之间会形成较强的成键作用,石墨烯纳米结构的物理性质及石墨烯纳米电子元件的性能如何受其影响是石墨烯器件应用急需解决的一个关键问题。在本项目中，我们拟利用基于密度泛函理论的第一性原理计算，系统地研究衬底/石墨烯纳米带系统的原子结构和电子结构。通过理论模拟我们可以得到石墨烯纳米带在衬底上的吸附结构，并分析衬底与纳米带之间的相互作用和电荷转移，尤其是与边界原子的相互作用。通过比较吸附在衬底上的石墨烯纳米带与自由纳米带，可以评估衬底对石墨烯纳米带电子结构和磁性性质的影响。另外，我们将考虑衬底与氮掺杂石墨烯纳米带的相互作用，关注在不同掺杂位置和掺杂浓度条件下衬底与杂质的相互作用如何影响纳米带性质，作为进一步调控纳米带性质的方法。

石墨烯是近年来凝聚态物理研究热点之一，有望成为下一代电子元器件的基本单元。石墨烯纳米结构与衬底之间的界面相互作用如何影响其物理性质和石墨烯元器件性能，这是石墨烯器件应用急需解决的一个关键问题。本项目从第一性原理计算出发，研究未掺杂和掺杂的石墨烯纳米带与半导体衬底之间的界面相互作用，揭示出掺杂和衬底对石墨烯纳米带原子结构、电子结构和磁性性质的影响。主要研究内容包括：（1）研究了不同宽度的zigzag石墨烯纳米带在Si(001)衬底上的吸附，总结出石墨烯纳米带的吸附结构特征并揭示了范德瓦尔斯相互作用对纳米带吸附结构的重要影响，分析了界面处的电荷转移情况以及界面相互作用对石墨烯纳米带能隙、磁性性质的影响；（2）细致研究了N、B、O原子在zigzag石墨烯纳米带中的替代掺杂对磁性性质的影响，发现当掺杂浓度较低或适中时，掺杂位置从纳米带边缘向纳米带中间靠近时会引起体系基态从反铁磁态到铁磁态转变；（3）研究了N掺杂的zigzag石墨烯纳米带在Si(001)衬底上的吸附，揭示了N掺杂引起的电荷弗里德尔振荡以及纳米带面内应变对纳米带与衬底相互作用的影响，指出界面相互作用会破坏由掺杂导致的丰富磁性现象；（4）研究了zigzag石墨烯纳米带在单层BN衬底上的吸附，发现界面处较弱的范德瓦尔斯相互作用可以保持纳米带的能隙和磁性性质。本项目的研究有助于人们深入了解衬底和掺杂效应对石墨烯纳米带基本物理性质的影响，也为人们选择石墨烯器件合适的衬底提供了一定的理论指导。