表面吸附对石墨烯振动性质的影响与在单分子探测中的应用

The molecule adsorption introduces a local change in electrical resistance of graphene. Due to the high electrical conductivity (even when few carriers are present) and low noise of graphene which make the change in resistance detectable, the study of graphene-based-single-molecule detection becomes very hot. In fact, due to the high thermal conductivity of graphene, changes in phonon frequency and vibrational properties (introduced by the molecule adsorption) are also detectable. We use first principle method to calculate the phonon and vibrational properties of graphene that adsorbed molecules. The changes of properties from pristine graphene to graphene adsorbed molecules are studied, and via analysing the mechanisms, a practicable graphene-based-single-molecule detection method will be suggested. First principle software CASTEP and PWSCF are used. Electronic structure is calculated by PWPP (Plane Wave and Pseudo Potential) method. Vibrational properties are studied with DFPT (Density Functional Perturbation Theory). Properties concerning to large unit cell are modeled by ab initio MD (Molecular Dynamics). All computations and analysis will be carried out by workstations and servers. Analysing programs are written by ourselves.

石墨烯对分子吸附的极端敏感性使石墨烯在单分子探测上拥有重要应用前景，并引起了广泛的研究兴趣。以往石墨烯探测单分子是基于石墨烯的超高电导率和吸附分子后石墨烯电学性质改变的原理。利用石墨烯的超高热导率，同样可以通过振动性质的改变来探测单分子。我们使用第一性原理的方法，分别计算理想石墨烯和表面吸附了分子的石墨烯的振动性质。研究吸附分子对石墨烯振动性质的影响，并分析这些变化的物理机制。设计通过石墨烯振动性质的变化来探测单分子的器件，为单分子探测器的应用提供理论指导。使用的第一性原理计算软件有CASTEP和PWSCF。电子结构使用赝势平面波方法进行高精度计算。小原胞的声子和振动性质使用密度泛函微扰理论进行高精度计算。大原胞的振动性质使用第一性原理分子动力学进行高精度模拟与分析。计算和分析工作全部在计算服务器上完成。分析程序全部自主编写。

石墨烯对分子吸附的极端敏感性使石墨烯在单分子探测上拥有重要应用前景，并.引起了广泛的研究兴趣。以往石墨烯探测单分子是基于石墨烯的超高电导率和吸.附分子后石墨烯电学性质改变的原理。利用石墨烯的超高热导率，同样可以通过.振动性质的改变来探测单分子。我们使用第一性原理的方法，分别计算理想石墨.烯和表面吸附了分子的石墨烯的振动性质，包括红外光谱与拉曼光谱。研究了吸.附原子/分子/碱基对石墨烯振动性质的影响，并分析了这些变化的物理机制。设.计出通过石墨烯振动性质的变化来探测单分子甚至DNA测序碱基识别的原理器件，.为单分子探测的应用提供理论指导。使用的第一性原理计算软件有CASTEP和.PWSCF。电子结构使用赝势平面波方法进行高精度计算。小原胞的声子和振动性.质使用密度泛函微扰理论进行高精度计算。大原胞的振动性质使用第一性原理分.子动力学结合经典全原子分子动力学进行高精度模拟与分析。计算和分析工作全.部在计算服务器上完成。分析程序全部自主使用Fortran90语言编写。.通过对本项目的完成，我们不仅积累了大量的第一手数据，而且对振动光谱探测.物性产生了极大兴趣，因为我们在科研探索的过程中产生了大量新的想法和方法，.实现并验证了其中最重要的部分（动力学模拟分析振动和光谱性质的方法），通.过与第一性原理直接方法计算结果比照，新的分析方法可行可靠，而且可以克服.计算量大的问题，用于研究大型物理体系的振动光谱和吸附识别等实际问题。更.重要的是通过本项目的科研实践，培养了研究生并且锻炼凝聚了课题组的青年教.师和科研人员，为后续科研工作的更快更好的开展和进行打下非常必要和重要的.基础。期望基金委能够给予我们更多的信任和关怀。我们将会在三晋大地这个基.础研究欠发达却急需基础科学研究指导带动当地发展的地区，有机会为解决实际.问题而开展更多更好更深入的研究工作。