石墨烯的高对称点 多种缺陷对石墨烯电子结构的影响研究

2017/1/12 21:13:35

    如图5(a)所示,本征石墨烯的电子态密度峰值比含有缺陷的石墨烯更为尖锐,这与本征石墨烯能带结构中高对称点处存在较高的简并度相符。在费米能级处本征石墨烯具有多个峰值并且连续,表现为零带隙,这与能带结构的计算结果相符。对于含有Stone-Wales缺陷的超胞,态密度分布如图5(b)所示,费米能级处有一个尖峰,对应为Stone-Wales缺陷引入的新缺陷能带。缺陷的存在导致石墨烯出现带隙,使石墨烯金属性减弱,这与能带结构相符合。

石墨烯的高对称点 多种缺陷对石墨烯电子结构的影响研究

    对于含单空位缺陷的石墨烯超胞。态密度分布如图5(c)所示,图中费米能级右边第一个较尖锐的峰值应为悬挂键所贡献,并在费米能级处出现了较小的带隙,而费米能级左边的第一个尖峰对应于缺陷中五边形边缘的碳原子产生的电子状态。两个缺陷尖峰的存在导致石墨烯的带隙有了较为明显的增大,态密度分布反映了能带结构计算的结果。

石墨烯的高对称点 多种缺陷对石墨烯电子结构的影响研究

    双空位态密度分布如图5(d)所示,费米能级处存在较大带隙,并且费米能级上方的第一个尖峰对应于双空位缺陷所产生的缺陷态。这个尖峰也导致石墨烯带隙出现了增大,其与能带结构图相符。

石墨烯的高对称点 多种缺陷对石墨烯电子结构的影响研究

    总体上看,石墨烯引入缺陷后,其金属性受到破坏而半导体性得到增强,对于单空位缺陷,这种影响最为严重。

    3 结束语

    利用第一性原理计算方法,研究了多种缺陷对石墨烯电子结构的影响。得到如下结论:(1)Stone-Wales缺陷的存在使得石墨烯的带隙增大至0.637 eV,并在费米能级附近引入一条缺陷能带。(2)单空位缺陷使石墨烯带隙增加至1.591 eV,并在能隙中出现了两条新能带:一条由悬挂键贡献;一条为单空位缺陷中的五边形结构贡献。(3)双空位缺陷使石墨烯带隙增加至1.207 eV,并在带隙中引入了一条新能带,其作为双空位缺陷态。相比而言,Stone-Wales缺陷对石墨烯电子结构影响最小,引起的带隙变化较小,单空位缺陷引起的带隙增大最大。如果让这些缺陷结构满足特定的分布,可以获得多种基于石墨烯的二维晶体结构,这为石墨烯的性能调控提供了新的思路。

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