外磁场调控双层石墨烯能带结构方法研究

This program aims at finding a new method to open and finely tune a wide bandgap in bilayer graphene via magnetic field. After magnetic doping the spin of the electrons in graphene are polarized via scattering with the magnetic impurities. When a bilayer graphene that made up by two single layer graphenes with different spin polarization is put into magnetic field, the bandgap opens because the different spin-magnetic interaction energies break the space inversion symmetry.As the difference of the interaction energies is determined by the difference of the spin polarization and the strength of the magnetic field, the width of the bandgap can be finely tuned via changing the imparity conservation and the strength of the magnetic field. This method can be extended to other two-dimensional materials. Via modeling and calculating with the first principle theory this method can also used as a direction to design two-dimensional devices.

本项目面向现今发展精确、易操控、具有宽调节范围的带隙调控技术的需求，探索用外磁场调控双层石墨烯带隙的方法。通过磁性掺杂，石墨烯中的自由电子的自旋取向由于与磁性杂质的自旋交换碰撞被极化。将由不同极化率的石墨烯组成的双层石墨烯置于磁场中，由于不同层的电子自旋与外磁场的相互作用能不同破坏了空间反演对称性而打开能隙。能隙的大小可以由磁性掺杂浓度和外磁场强度调节。该方法也可以扩展到一般的非均匀掺杂双层二维材料。通过构建模型和第一性原理计算可以指导二维器件的设计和制备。

本征石墨烯的带隙为零，经过多年的研究发现，通过掺杂，外加磁场或者电场都不能产生可观的能隙。因此，本项目从石墨烯与无级半导体的角度入手，研究异质结半导体复合体系在光解水制氢方面得到了广泛的应用，这主要是由于其界面处的内建电场可有效地抑制光生载流子的复合，提高了光生载流子的分离效率，从而提升了光解水制氢性能。然而，对异质结中的界面电荷转移的物理机制，尤其是界面处半导体表面电势的变化对电荷转移的影响，尚缺乏深入的认识。本研究中，我们以CdS/RGO(硫化镉/还原石墨烯)纳米复合物作为模型体系，利用RGO费米能级随其还原程度的可调节特性，来改变CdS/RGO纳米异质结的界面性质，探究界面性质的变化与光生载流子转移行为的关系，及其对光解水制氢性能的影响。最后我们通过结合理论计算方法，从微观层面理解异质界面的电荷转移行为，并给出理论指导。相关结果发表在 Nano Letters 2019,19,2,1234-1241；ACS Appl. Mater. Interfaces 2017,9,49,42723-42733。