双层石墨烯层间缺陷迁移及其能带调控机制的理论研究

Open the bandgap of the graphene is the key issue to realize their widely application in semiconductor device, adjusting the defect distribution and migration behavior of graphene sheet is considered to be one of the effective means to modulate the bandgap of graphene. However the present experiments for bandgap regulation by the defect control are still mainly by experience, lack of theoretical guidance. Double layer or multilayer graphene defects can migrate under certain conditions, and then change the structures and electronic properties of graphene, then realize the self repairing and bandgap modulation. Considering that directly fabricating graphene nanodevices on substrates during their growth is the inevitable choice for future graphene based semiconductor industry. This project aims to use the first principle DFT calculation, combined with the molecular dynamics and the transition state theory, firstly, we will study on the mechanism of the defect migration between bilayered graphene, and secondly research on how to control the migration of the defects during the graphene growth processes. Finally the effects of the substrates on the migration process will be investigated. The research results will be helpful for understanding the mechanism of graphene bandgap modulation, and help the experimentalists to design optimum processes in graphene-based nanodevices fabrication.

打开石墨烯的能带是实现石墨烯在半导体器件中广泛应用的关键，调节石墨烯中的缺陷分布及迁移行为被认为是实现石墨烯能带调控的有效手段之一。然而目前实验上对于通过缺陷调控来实现石墨烯能带调控的研究仍然以经验为主，缺乏系统的理论指导。双层或多层石墨烯上的缺陷可以在一定条件下进行迁移，进而改变石墨烯的结构及电子性质，实现石墨烯的自我修复和能带调控。考虑到在实际的石墨烯器件中，直接在金属基底上生长单层或多层石墨烯并构筑电子器件是未来石墨烯大面积应用于半导体行业的必然选择。本项目拟运用第一性原理的DFT 计算，结合分子动力学模拟以及过渡态理论，首先对双层石墨烯之间的缺陷迁移行为及能带调控机制进行研究，并进一步研究在石墨烯生长过程中如何调控缺陷的分布及迁移，以及缺陷迁移过程与金属基底表面的关系等。获得石墨烯的缺陷控制和能带调控的理论基础，为指导石墨烯电子器件的优化设计提供参考。

本项目采用第一性原理计算，结合分子动力学方法以及过渡态理论，来研究双层石墨烯之间缺陷迁移的调控机制及其对石墨烯能带结构的影响。在已有的理论中认为单点缺陷的层间迁移非常困难，但是在我们发现的新的机制中表明和过去研究结果不同的是，迁移是分为两步的。缺陷在层内进行聚集成较大缺陷然后再在层间进行迁移，会先形成一个稳定的中间结构，再由中间结构进一步实现缺陷的迁移，能量势垒会下降一半。能量势垒的降低，使得缺陷的迁移变得非常容易。在碳原子迁移修复缺陷的基础上，结合晶体生长理论，建立石墨烯生长过程中缺陷迁移的动态调控机制，并获得金属基底对缺陷迁移和能带结构调控的影响规律。进而提供了调控石墨烯能带结构和电学性质的新方法，为石墨烯电子器件的构筑提供理论依据和指导。. 同时我们使用第一性原理的理论计算研究了不同类型原子部分插入石墨烯单层，对石墨烯表面电学性能的影响。我们发现不同原子的插入，石墨烯表面静电势的分布不同。这种静电势的重排和改变的主要原因是插入元素的电荷转移至石墨烯层，使石墨烯表面的电子层再重新排列分布，实现新的电子性能和静电势分布。我们的研究提供了通过嵌入原子的种类和数量来控制石墨烯表面的电学性质的新方法。同时，我们还对半三明治有机金属功能化的单层石墨烯进行了系统地研究。. 在理论工作的基础上，我们还根据碳材料的性质进行了应用研究方向上的拓展。利用碳纳米结构特殊性能的对锂离子电池的负极材料进行改性。制备了碳材料包覆的千层饼状纳-微米结构。这种结构使其兼具较高的储锂容量和振实密度，防止因电极/电解质界面较大导致的SEI膜的过度形成，有利于体积能量密度和容量的维持。同时缩短Li＋和电子的扩散途径，缓冲锂离子插入过程中的膨胀应力，增强导电性和电极界面的稳定性，进一步提高电池的倍率性能和循环稳定性。最终得到的千层饼状结构在大范围质量负荷下表现出良好的储锂容量和循环稳定性。