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摘要近年来，石墨烯基的半导体功能材料成为了研究的热点。本征石墨烯是零带隙的半导体，因此，如何打开石墨烯带隙成为当前研究热点之一。随着CVD（化学汽相沉积）技术的飞速发展，利用掺杂技术调控石墨烯的电子性质被广泛研究。本文采用第一性原理计算，通过金属原子Li的掺杂，有效调控了双层石墨烯的电子结构。计算结果表明，这种方式能够打开0.516eV带隙。文中还研究了应变作用对掺杂效果的影响以及对费米能级位置的调控作用。这一工作能为石墨烯基半导体功能器件的发展提供理论参考。43104
毕业论文关键词 双层石墨烯 第一性原理 n型掺杂 Li原子
毕业设计说明书外文摘要
Title The research of tuning the physical property of graphene bilayers by alkali atom doping
Abstract
Recently, graphene has been the hot material due to its potential applications in electronics, information, energy, and so on. At ambient environment, graphene behaves as a zero band-gap semiconductor, and this fact motivates researchers to tune the bang gap of graphene. With the development of chemical vapor deposition methods, engineering the band structure of graphene by doping metallic atoms is one of the effective methods. Based on the above fact, we study the effect of Li doping on the property of bilayer graphene via a first-principles study, and the result shows that a band gap of about 0.516 eV is opened under critical Li doping. More study on how the effect of doping and level of Fermi energy change with strain applied on the system is also performed. This work is meaningful for the development of graphene-based semiconductor functional materials.
Keywords bilayer graphene the first principle n-type doping atom Li
目 次
1 引言 1
1.1 走进石墨烯 1
1.2 单层石墨烯的掺杂 1
1.3 双层石墨烯的物性调控 3
1.4 调控石墨烯带隙的新思路 4
2 第一性原理计算的理论 6
2.1 从薛定谔方程开始 6
2.2 Hatree-Fork方法 7
2.3 密度泛函理论 7
3 研究内容 10
3.1 重现双层石墨烯的能带计算 10
3.2 在双层石墨烯中掺杂金属原子Li 12
3.3 探究掺杂金属原子Li的浓度的影响 14
3.4 应变作用对掺杂效果的影响 16
3.4 应变作用对费米能级位置的影响 18
结论 21
致谢 22
参考文献 23
1 引言
石墨是一种人们日常生活中非常熟悉的物质，呈黑色块状，用途广泛。虽然石墨非常普通，但是当把宏观尺度上的石墨晶体，通过一层一层的剥离开来，得到的微观尺度上纳米量级厚度的石墨烯，却有着独特而且迷人的性质-751`文~论^文.网www.751com.cn。石墨烯是一直备受众多物理学家、化学家关注的新型二维材料。对石墨烯的研究可以追溯到20世界60年代的理论计算工作，但是想要在实验上制备石墨烯却十分困难。自石墨烯（graphene）于2004年在曼彻斯特大学被剥离法成功制备以来[1]，众多科研工作者掀起了一波又一波的科研热潮。
1.1 走进石墨烯
石墨烯的微观结构中，碳原子4个价电子中的3个以sp2杂化的形式与最近邻三个碳原子形成平面正六边形连接的蜂巢结构[2]。这使得石墨烯具有很高的强度和热导；另一个垂直于碳原子平面的σz轨道电子在晶格平面两侧如苯环一样形成高度巡游的大π键，这使得石墨烯具有更多其他的性能。
石墨烯是一种零带隙的半导体，其价带和导带在布里渊区内呈狄拉克锥形接触（如图1.1所示）[3]。石墨烯表现出良好的导电率、极高的电子迁移率[4]等优于常规金属导体的性质。此外，石墨烯独特的光学性质使它具有应用于光电子器件的潜力。这使得开发和研究具有高性能石墨烯基的半导体功能器件成为了研究的热点[5]。其中，对于石墨烯能带的调控成为了研究的重点，科研工作者希望从理论和实验上获得打开石墨烯带隙的方法