石墨烯纳米带电子结构与物性应力调控研究

石墨烯纳米带是继碳纳米管后倍受关注的新型准一维体系,人们已采用掺杂、边缘原子修饰及外场等方法研究了其微结构与物性的调控,本项目研究(拉伸)应力新方法调控中的一些基本物理问题。拟采用紧束缚近似配合基于密度泛函的第一原理计算相互验证,研究条带受均匀应力作用下电子能带结构及带隙大小相对于无应力情形的变化规律;用非平衡格林函数与散射矩阵方法和半导体带间跃迁理论,分别研究条带受均应力作用下的载流子输运性质和光学特性。从理想完整条带受均匀应力作用的简单情形出发,逐步过渡到分别考虑边缘吸附H原子、存在少数C原子空位、多体相互作用和自旋轨道耦合的复杂情形。探索石墨烯纳米条带应力作用下晶格弹性形变、电子结构与量子输运性质和光学特性之间的相互定量系,相关研究可能展现一些纳米电子力学的新量子现象和概念,并可能为从原理上设计一些功能可人为调控的新型电子和光电子器件提供物理基础。

石墨烯纳米带(GNRs)是继碳纳米管(CNT)后倍受关注的新型准一维体系，人们已采用掺杂、边缘原子化学修饰及外场等方法调控其微结构与物性及其相互关系，本项目中我们采用紧束缚近似解析计算配合基于密度泛函的第一原理计算相互验证，研究了外加单轴应力(拉伸/压缩)方法对GNRs调控中的一些相关基本物理问题。. 先忽略边缘效应, 计算应力作用下晶格原胞平行四边形边长及夹角的变化, 采用紧束缚近似方法计算了AGNRs的电子能带色散关系表达式。利用该解析表达式，能预测任意宽度AGNRs在弹性范围应力作用下电子能带结构及带隙大小的变化规律。接着用基于密度泛函(DFT)的第一性原理计算, 通过对大量AGNRs 在应力作用下的结构驰豫(优化), 研究总结出AGNR晶格结构对外加应力三种不同响应特性的系列。在应力作用下, 边缘反对称(横向偶数原子链)的2n-AGNR系列具有2n种C-C键(长度和夹角); 边缘对称(奇数原子链)的AGNRs有两个系列: (4n+1)-AGNR显示(3n+1)种键, 而(4n+3)-AGNR只有(3n+2)种键, 随着宽度的增加变化键占总的比例分从80%和70%趋近于同一个数75%。. 用格林函数方法解折计算，预测了AGNR和锯齿边缘GNRs (ZGNR)的STM遂穿电流，得到了探针(tip)从条带边缘向内移动时遂穿电流不同类型条带的变化规律。对于金属型AGNRs，以往只是认为整体上是导体的，我们的结果为金属型AGNRs条带中从边缘起第3n排原子链是半导体的；对ZGNRs边缘态聚集在次边缘锯齿型原子链上。. 用衡格林函数方法，研究了导体/graphene/导体系统的自旋相关输运性质，获得了自旋转矩与一般二维电子气不同的特性。同样方法计算出了AGNRs格林函数解析表达式，扩展到对铁磁/AGNR/铁磁体系自旋相关输运性质、自旋转矩特性和热电效应的研究，得到了一些有意义的新结果。. 最后, 用基于DFT结合NEGF的第一性原理计算，研究了左右电极为ZGNR、中心散射区为不同方位取向或吸附NH2/NO2旁基的笨分子体系的电输运性质，得到了自旋过滤器、负微分电导、整流等特性。. 上述研究结果对从原子(电子)深入理解GNRs准一维体系的物理本质，以及对设计基于GNRs的电子器件提供物理基础具有重要意义。