低维碳——氮化硼联合体系的电容器效应研究

The combined systems of one dimension carbon-boron nitride nanotubes and two dimension graphene-boron nitride layers have attracted great attention, because they exhibit more abundant physical characteristics comparing with single carbon materials. At present, researches about low dimension carbon-boron nitride combined systems are just beginning. The physical mechanism behind the doping effect and charge distribution of these systems is not clear yet. Therefore, it is very necessary to study the doping effect of these low dimension carbon-boron nitride combined systems deeply. From the structural point of view, the combined carbon-boron nitride nanotubes and graphenen--boron nitride layers can be treated as cylinder and plate capacitors. In this project, we intend to study the capacitor effect of carbon-boron nitride nanotubes and graphene-boron nitride layers using density functional theory. We examine the classical electrostatic screening effect under nano scale and explore the essential mechanism of doping effect. This project will effectively reveal the intrinsic mechanism of doping effect on low dimensional systems. These results are useful for the design of nanoscale electronic devices and will promote the applications of nanomaterials in electronic devices.

一维碳——氮化硼纳米管和二维石墨烯——氮化硼片层联合体系，由于其比单一的碳原子体系呈现出更丰富的物理特性，越来越受到科学家们的关注。目前，人们对低维碳——氮化硼联合系统的研究才刚刚开始，体系的掺杂效应及电荷分布背后物理机制的理论研究还不够透彻。因此，对低维碳——氮化硼联合系统的掺杂效应进行深入研究是很有必要的。从结构上来看，碳——氮化硼纳米管类似于一个圆柱形电容器，而层状堆垛的石墨烯和氮化硼片层则类似于平板电容器。本项目拟采用密度泛函理论等方法，对碳——氮化硼纳米管和石墨烯——氮化硼片层的电容器效应进行研究，以此来检验纳尺度下的经典电荷屏蔽行为，探索体系掺杂效应的内部物理机制。项目将有效解决低维体系掺杂效应的内禀机制问题，结果有利于开展对纳尺度电子器件的设计，有效推动纳米材料在电子器件方面的应用。

在本项目中，我们对低维碳——氮化硼联合体系的掺杂效应进行深入研究，得到了一些有意义的结果。.1. 考察了第一性原理研究方法在碳纳米结构掺杂效应中的应用。通过对体系注入一个负电荷，研究了碘原子掺杂的不同管径碳纳米管的电荷分布特征。发现除(10,0)以前的锯齿管外，扶手管和其它的锯齿管所带的电荷总量，随着管径增加而增加，且两种类型碳纳米管的每个碳原子平均带电量随管径的变化趋势是相似的。参照碳纳米管和碘原子吸引负电荷能力的大小，可以比较不同管径的碳纳米管与电负性较强的卤素碘原子之间电负性的强弱。.2. 基于石墨烯和六方氮化硼的同构性，研究了钾原子掺杂的联合层状系统：石墨烯/六方氮化硼的电荷分布特征。分别考虑了钾原子掺杂的氮化硼层置于石墨烯片层之上以及反转的两种构型。前者转移电荷主要分布在两个跳跃层上，这可归结于石墨烯优先于氮化硼的能带填充；后者绝大部分的转移电荷分布在与钾原子相邻的最外层石墨烯上，这可用经典的静电屏蔽效应来解释。并且，堆垛方式对该体系的掺杂效应影响不大。 .3. 对T-石墨带的电子结构和输运性质、非共线磁性的Mn单原子链的电子输运特性进行初步研究。.研究结果为基于石墨烯的纳电子器件的设计以及广泛应用起到了推动作用。