衬底作用下石墨烯的缺陷和输运性质的理论研究

石墨烯具有许多优良的电子性质（如高的电子平均自由程和载流子迁移率），和高的热稳定性，在未来的纳电子器件与集成电路等领域有着重要的应用前景。利用（SiC 和金属）衬底制备高质量大尺度石墨烯是当前石墨烯研究领域的一个主要挑战。本研究从微观电子结构理论和晶体生长动力学模型出发，结合实验测量，探讨衬底属性和结构与衬底-（缓冲层）-石墨烯层间、多晶石墨烯畴间相互作用之间的关系，进一步明确衬底的存在对大尺度石墨烯生长和质量（缺陷）、多晶石墨烯晶界（缺陷链）的产生和结构的影响。提出物理模型，并发展相关计算方法，揭示衬底作用下石墨烯电子和输运性质，及与杂质、缺陷、外场的相互作用规律，探究缺陷结构－电子性质－物理性能－器件应用之间的内禀关系，提出性能调控手段和从衬底上解离石墨烯方法，解释实验现象及其物理机制，为实现基于大尺度石墨烯的新型纳电子器件和电路设计提供理论指导。

优良的电子性质和高的热稳定性确保石墨烯在未来的纳电子器件与集成电路等领域有着重要的应用前景。解离SiC 和金属衬底上大尺度石墨烯并实现性能调控用作电子器件是当前石墨烯研究领域的一个主要挑战。从内应力分布、电子效应和几何效应等方面，本研究利用第一原理计算探索缺陷和掺杂原子类型、数量和分布对缓冲层或石墨烯-衬底作用和电子性质的影响，提出了一个“层间掺杂调制”方法，给出断键解离机制。F、过渡金属和贵金属呈现出不一样的解离效果和方式，以及调制性能。例如，F诱发磁性、Rh出现自发极化、Mn掺杂出现d电子特性的Dirac cone。而载流子迁移率基本上不改变。这个层间掺杂改性机理为下一步制备纳电子器件提供理论支持。在模拟晶界形成中，动力学再现小角度紧密晶界、多孔结构到大角度疏松晶界的演化过程，分析晶界附近内应力分布，给出沿晶断裂模型，确定原子点缺陷和孔洞是多晶石墨烯沿晶断裂的源头。利用共轭π电子与孔洞电子态间的耦合作用可以实现与外界活性基团间的吸附活化，既为分割大片石墨烯提供合适手段，也为功能性分解和探测活性基团或分子（如尾气NO2）提供可能的净化和传感器件。研究大角度疏松晶界中掺杂Fe原子链和缺陷效应诱发磁性机制，和石墨烯中准一维条件下实现磁有序态的可行性。解释和预测相关的实验现象，探讨物理机制，为实现基于大尺度石墨烯的新型功能性纳电子器件的设计和发展提供理论指导。