石墨烯迁移率的计算研究

Graphene is a zero-gap semiconductor (semi-metal). An advantage of the graphene material is its extremely high carrier mobility. To enable its application in the next-generation electronics, it is necessary to open a band gap in graphene. However, the gap opening usually causes the drop of the mobility. If the mobility decreases too much, graphene will lose its original advantage. Being cognizant of this point, we will conduct theoretical study on the gap-mobility relationship of graphene. We will calculate the mobility of a few graphene-related systems (graphene nanomeshes, BN-graphene hybrids, graphynes, etc), and investigate how various scattering process (such as phonon and impurity) affect the mobility, and further search possible means to obtain high mobility under the condiction of gap opening in graphene.

石墨烯是零带隙半导体材料（又称半金属），它的一个突出优点是具有非常高的载流子迁移率。为了将石墨烯应用于新一代电子学，通常需要在石墨烯材料中将带隙打开。但是，带隙的打开往往会导致迁移率的下降。如果迁移率下降太多，将会使石墨烯丧失原有的优势，对其应用造成严重危害。基于这一认识，本项目将围绕石墨烯的带隙-迁移率关系展开研究，利用量子力学方法计算多种石墨烯相关低维体系（石墨烯纳米筛、石墨烯-氮化硼杂化体系、石墨炔等）的迁移率，阐明各种散射过程（声子散射、杂质散射等）影响石墨烯迁移率的方式，寻找如何在带隙打开的条件下保持石墨烯高迁移率的方法，为相关的实验研究及应用提供借鉴与参考。

本课题主要通过理论分析与第一性原理计算的手段研究石墨烯、石墨炔、硼烯、黑磷等二维原子晶体材料在声子散射下的载流子迁移率。研究取得了一些重要结果：（1）研究了四方对称性下二维碳材料的电子结构，发现了一种具有狄拉克锥电子结构的二维碳材料SG10-b，其赝自旋为1而非通常的1/2，并提出二分图对称性（bipartite symmetry）是产生这种自旋为1的狄拉克-外尔点（Dirac-Weyl points）的最主要的原因；（2）系统总结了目前文献中报导过的狄拉克材料的性质，从理论上提出了狄拉克锥出现的条件以及对称性在其中所起的作用；（3）结合紧束缚模型、群论分析与第一性原理计算研究了二维材料的能带结构在旋转应变下的响应，发现alpha-、beta-、gamma-石墨炔具有比石墨烯强烈得多的非线性响应，而且其（与迁移率密切相关的）线性响应部分具有各自的特点；（4）建立了一个狄拉克锥电子结构的本征迁移率新理论，不但解释了石墨烯的迁移率性质，而且预言几种石墨炔与硼烯具有高于石墨烯的本征迁移率；（5）基于形变势理论的基本思想推导得到了二维各向异性半导体在声学声子散射下的本征迁移率的公式，并利用文献数据对常见体系的本征迁移率进行了详细的分析，发现以前的计算方法是不恰当的，会高估迁移率的各向异性程度。.课题得到的迁移率公式可以应用于其它狄拉克材料与二维半导体材料的迁移率计算；课题给出的具体数值结果有助于人们更好地认识应变对二维材料能带结构的影响，以及声子散射如何决定材料迁移率高低的机制。.课题共培养博士后1名、毕业博士生4名，发表了有基金资助标注的SCI论文14篇，这些论文已被SCI引用187次。