非金属衬底上石墨烯纳米带的电子结构及输运性质调控研究

The effective modulation of electronic properties is very important for the applications of graphene nanoribbon based nano device, which should be attached at some substrate surface in order to maintain its performance and structural stability. This proposal suggests that the electronic properties of supported graphene nanoribbons could be tuned efficiently by the interaction between graphene and non-metal substrate, combined with the current researches of high-quality synthesis of graphene on substrates. The stable structure and controllable electronic band structure and transport property of graphene nanoribbons might be achieved by introducing appropriate decoration on non-metal substrate. So we need to analyze the mechanism of interaction of the non-metal substrate with supported graphene, by the calculations using the density functional theory, tight binding method and transport theory. The method of tuning the electronic properties of graphene nanoribbons will be studied extensively, from the modified non-metal substrate and the functionalized graphene nanoribbons. Furthermore, the good performance graphene based nano devices, including the conductive nano wire and the semiconductive field effect transistor, could be designed according to the preceding results. This research will provide the theoretical support for the controllable synthesis of functionalized graphene on substrate, and lay a good foundation for graphene based nano device application research.

有效调控石墨烯纳米带电子结构是石墨烯纳器件应用研究的基础，且石墨烯基纳器件须附着在一定支撑衬底上以保持其结构性能稳定。本项目结合目前衬底上石墨烯制备研究，以石墨烯纳米带与非金属衬底相互作用为研究切入点，通过引入不同的衬底修饰来牢固吸附石墨烯使其结构稳定，同时达到调控石墨烯纳米带电子能带和输运性质的目的。为此结合密度泛函、紧束缚方法和输运理论，分析石墨烯纳米带与非金属衬底的相互作用机理；从衬底与功能化石墨烯、不同衬底与石墨烯及衬底修饰与石墨烯等多方面，系统研究非金属衬底上石墨烯纳米带电子结构的调控方法；进一步设计具有良好电子特性的石墨烯基纳器件，其中重点研究金属性石墨烯纳米带导线和半导体性石墨烯纳米带构成的场效应器件。本课题研究将为非金属衬底上功能化石墨烯可控制备的实验研究提供理论支持，同时为石墨烯基纳器件的应用研究奠定良好基础。

本项目以非金属衬底与石墨烯相互作用机理研究为切入点。通过第一性原理计算、分子动力学方法，系统研究了不同相互作用时衬底上石墨烯及纳米带的结构稳定性、电子结构及电子输运性质，提出相应衬底上石墨烯纳米带及石墨烯基纳器件的电子特性调控方法。.关于衬底与石墨烯相互作用调控，研究了SnO2衬底上石墨烯电子特性，表明界面间共价键的形成带来了石墨烯费米面附近能带和态密度的较大改变。研究了二维过渡金属硫族化物衬底上石墨烯电子结构，表明较弱电荷转移相互作用带来10 meV量级电子带隙打开，并与层间距离密切相关。研究了不同金属修饰的SiO2衬底表面吸附石墨烯，表明金属修饰的SiO2衬底更容易稳定吸附石墨烯，并可能保持石墨烯独特电子能带特性。由于衬底与石墨烯的相互作用与其表面化学状态密切相关，还进一步对过渡金属氧化物表面掺杂改性进行了相关研究。.关于衬底上石墨烯纳米带电子特性调控，系统地研究了SiO2衬底上不同边缘修饰的扶手椅型石墨烯纳米带（aGNRs）和SiC衬底上基团连接锯齿型石墨烯纳米带（zGNRs）的电子能带特性。结果表明能否为纳米带引入能隙，主要由边缘碳原子的杂化类型决定，sp3杂化边缘连接引入能隙，而sp2杂化边缘连接的纳米带仍主要为金属性。研究了杂质原子修饰的SiO2衬底zGNRs和官能团修饰的SiC衬底zGNRs的电子能带特性，表明GNRs电子特性受影响的程度十分依赖于衬底的表面极性，以及GNRs自身带宽。衬底表面活性悬挂键与GNRs较强耦合作用，可导致能带结构打开一定带隙，从而实现纳米带的金属-半导体转变。研究了一种同时具有armchair型和zigzag型边界的三角形石墨烯纳米结构的透射谱，态密度和I-V特性曲线。还研究了石墨烯纳米带的热输运特性随弯折角度及硅衬底相互作用的变化规律。.我们还开展了大量类似石墨烯结构的二维过渡金属化合物电子特性调控研究，取得了非常有趣的结果，表明不同化学环境对原子电荷分布状态和结构的电子特性有巨大影响，对石墨烯电子调控方法有很好的参考意义。.通过以上大量工作，提出衬底上石墨烯纳米带的电子结构和电子输运特性调控方法，为衬底上功能化石墨烯可控制备研究提供理论支持。得到了多种高迁移率的金属性电子结构和可调带隙的半导体性电子结构，促进石墨烯基纳器件的应用研究。