AuCl3分子和N原子共掺杂石墨烯第一性原理研究

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石墨烯,一个二维的单层碳结构,自从在2004年成功制备出来后,引发了世界范围内科学家的很大兴趣。因为石墨烯拥有奇特的物理及电学特性。使其可以被广泛应用在许多领域。尽管石墨烯具有很好的电学性能,但由于零带隙的能带结构,使其在电子工业领域的应用受到了限制。研究人员使用各类方式来改变石墨烯的带隙。通过施主受主共掺杂打开石墨烯带隙是比较好的一种方法,特别是B、N共掺杂已经被许多研究人员研究过,因为硼原子、氮原子和碳原子的半径是最接近的。然而,硼原子受主和氮原子施主都是替换掺杂,高浓度共掺杂会严重降低石墨烯晶格的完整性,减小石墨烯的电学性能,比如载流子迁移率。对于石墨烯来说,AuCl3分子能够通过石墨烯表面的电荷转移得电子,是一种受主分子,而且不替换碳原子。因此,N-AuCl3共掺杂石墨烯是一种很好的且具有少的替换缺陷的打开石墨烯带隙的方法。而且采用此掺杂打开石墨烯禁带的计算性研究很少。在本文中,选用基于密度泛函理论的第一性原理的方法,对AuCl3受主和N施主共掺杂调控石墨烯的带隙进行研究。首先构建了三个7×7×1的石墨烯超胞,然后氮原子替换中间的一个碳原子,最后AuCl3分子吸附在石墨烯表面,稳定后N-Au距离分别为3.857?,5.561?和6.731?。通过和原始石墨烯比较,说明共掺杂石墨烯的带隙被成功打开。我们又进一步对比研究了三种不同的共掺杂石墨烯超胞模型,计算了原始石墨烯、三种掺杂石墨烯的能带结构、态密度(DOS)、分波态密度(PDOS)、形成能(Eform)及电荷密度性质。通过计算,我们得到以下几个结论:(1)随着掺杂杂质AuCl3与N的距离的增加,石墨烯的带隙宽度减小,费米能级下移,形成能增加。(2)当N原子与AuCl3分子距离(3.857?)最近时,石墨烯打开带隙幅度最大,为0.396 eV,形成能(Eform)最低,为0.4547eV。(3)随着掺杂杂质距离的增大,N原子、AuCl3分子和石墨烯层的电荷发生变化,从而导致了带隙展宽和费米能级的变化。(4)形成能(Eform)的变化起源于受AuCl3分子和石墨烯层之间的相互作用影响的碳氮键长(LC-N(?))及碳碳键长(LC-C(?))。
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