局部扭矩作用下armchair型石墨烯纳米带的力电耦合特性

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摘要：尽管石墨烯纳米带很容易自发扭转，但局部扭转对其力电特性的影响却还没完全弄清楚。本文将密度泛函理论同非平衡格林函数方法相结合，系统研究了局部扭转形变下armchair型石墨烯纳米带的结构演化与力电特性。结果表明，局部扭曲能够显著改变armchair型石墨烯纳米带的输运性质。一定电压下，由于扭转形变所导致的石墨烯纳米带电子结构的变化，通过纳米带的电流可以随着扭转角度的出现通/断现象或者变化许多倍。我们的研究结果对于石墨烯纳米带在纳机电系统和器件中的应用具有重要参考价值。54587

毕业论文关键词：石墨烯纳米带，局部扭矩，力电特性，密度泛函理论

Abstract: While graphene nanoribbons are prone to twist intrinsically, the effect of local twist on the electromechanical properties remains unexplored. By using the density functional theory in combination with the nonequilibrium Green’s function method, we investigate the responses of structural evolution and electrical transport of armchair graphene nanoribbons to local torsion. We show that local twist can alter their transport properties significantly. The current at a given bias can switch on/off or change many times with twist angle, which is related with twist-induced changes in electronic structures of graphene nanoribbons. Our results can provide a valuable guideline for design and implementation of graphene nanoribbons in nanoelectromechanical systems and devices.

Key words: graphene nanoribbon, local torsion, electromechanical property, density-functional theory

1 引言4

2 理论方法6

3 结果与讨论7

结论16

参考文献 17

致谢 18

1 引言

石墨稀（graphene）是一种二维蜂窝状的单层碳原子结构。由于其独特的电子性质，超高的力学强度和良好的柔韧性，石墨烯已成为机电系统和柔性电子器件应用中的重要候选材料。[1,2] 最新的实验表明，石墨烯的电子迁移率的良好性质不随环境温度明显变化。在室温下，其电子迁移率不但高达102 cm2V-1s-1，而且载流子密度也达到了1012 cm-2，这些性质让石墨烯比传统的硅基半导体更具竞争优势。对于石墨烯的研究，已经在工业界和科学界同时引起了巨大反响。石墨烯纳米带 (graphene naoribbon)是按照一定方向切割成条带状的石墨烯。这样做的目的，是为了在金属性的石墨烯能带结构上打开带隙，使其导电性质可以由外界调控。石墨烯纳米带的性质与切割方向有很大关系。其机理是不同的切割方向会形成不同的边界态，而边界态是构成电子最高占据轨道（HOMO）与最低未占据轨道（LUMO）的关键部分，对材料的导电性能有关键影响。以石墨烯纳米带为基本构造单元，人们已经成功制备出许多基于石墨烯的功能器件。随着实验技术的进步，目前已有刻蚀、切割、底层化学控制、碳纳米管解离等多种方法制备石墨烯纳米带，不仅宽度可以达到几个纳米，甚至能够实现尺寸和边缘的可调、可控。[3,4] 考虑到石墨烯纳米带在机电器件中的应用前景，应变（或形变）对纳米带电子性质的影响成为了最近理论和实验研究的热点。诸如拉伸、弯曲、折叠、粗化和扭曲等各种形变下的石墨烯纳米带都引起了广泛关注。[5-8]

扭转形变是一种基本且典型的力学变形。新近的实验已观察到，在利用单壁碳纳米管作约束模板，管内生长制备出的石墨烯纳米带具有自发的螺旋扭转形状。理论计算和分子动力学模拟也发现，边界应力会导致石墨烯纳米带不稳定，产生自发扭曲现象。尽管石墨烯纳米带有着重要的实际应用，但其在局部扭曲情况下的力电行为，即便在理论上，也还未完全清楚。扭曲条件下石墨烯纳米带的微观建模存在着诸多限制。标准的周期边界条件需要很大的超原胞，而且只能描述满足平移对称性的个别特殊角度的扭转形变。虽然也有一些研究工作提出了改进的周期边界条件，从而可以模拟任意扭转角度时的石墨烯纳米带，但都是基于紧束缚模型，并且主要关注于具有周期性特征的均匀扭转所导致的纳米带的电子结构的变化。就对石墨烯纳米带的操控而言，理解纳米带的电学性质随扭曲形变的变化规律，尤其是局部扭转形变下石墨烯纳米带的输运性质和伏安特性，对于器件开发和应用具有重要意义。源'自:751`!论~文'网www.751com.cn