六方氮化硼、石墨烯及二者区域混合结构的第一性原理计算

论文摘要

石墨烯和六方氮化硼（h-BN）都是层间以范德华力结合的二维材料,二者均具有诸多奇特且优异的性能,在很多领域都有广阔的应用前景。而石墨烯和h-BN的区域混合结构（h-BNC）是一种新型的二维材料,即石墨烯和h-BN在层内的横向异质结构。它具有石墨烯和h-BN的很多优点,带隙介于石墨烯和h-BN中间。本研究对石墨烯、h-BN和h-BNC进行了第一性原理的密度泛函理论计算,对其能带结构及其他一些性能进行了系统的研究。石墨烯和h-BN均在航空航天领域有所应用,而低地球轨道的航天器需要在富原子氧的环境下工作,所以对石墨烯和h-BN在富原子氧环境下的性能表现研究是很有必要的。而对于h-BNC,现在仍然缺少可以准确调控其带隙值的制备工艺。针对这些背景,作了如下几项研究:对氧原子的吸附和掺杂对h-BN的电学性能影响进行了研究。结果显示,所有原子氧在h-BN上的吸附都会使h-BN的带隙下降,下降的幅度与原子氧吸附的方式有关。空位缺陷会使h-BN带隙下降,而单纯的氧掺杂不能使h-BN带隙发生明显的变化,但当掺杂的位点同时存在悬键时,带隙则会大幅下降。本研究发现,存在缺陷的h-BN在富原子氧环境下存在着自修复效应。研究显示,h-BN对于各种气体分子均有不透过性,而缺陷会大大降低它对氧分子的阻隔能力。而计算结果显示,原子氧可以在h-BN缺陷位置发生化学吸附,从而减少缺陷对h-BN的影响。相比于缺陷被修复之前的情况,被修复之后h-BN对于氧分子的阻隔能力大为上升。并且,原子氧修复过后,原本h-BN缺陷位置处的电子密度也有所上升,电子云孔洞大幅缩小。所以,原子氧会对h-BN的缺陷位置进行修补,从而增强带缺陷h-BN的阻隔能力。对h-BNC最稳定的结构类型进行了研究,并且探明了碳含量和层数对其带隙的影响。能量计算显示,h-BNC中h-BN和石墨烯分布越集中,结构越稳定;对带隙的计算显示,含碳量越高,单层h-BNC的带隙就越低。可以通过调节碳含量,精确地在0-4.647 eV之间控制h-BNC的带隙。同时,h-BNC的层数上升,它的带隙也会剧烈地下降。因此,可以通过对h-BNC含碳量的控制和层数的控制,协同调节h-BNC的带隙。本研究对于石墨烯和h-BN在富原子氧环境下的电学性能进行了第一性原理计算,对评估石墨烯和h-BN在富原子氧环境下电学性能表现有一定的指导意义。而对h-BNC带隙的计算,为制备特定带隙的h-BNC工艺设计提供了参考,对hBNC在带隙工程方面的应用也有一定的意义。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 刘坤

导师: 马飞,鲁志斌

关键词: 石墨烯,六方氮化硼,区域混合材料,能带结构

来源: 兰州大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 兰州大学

基金: 国家重点研发项目(2018YFB0703801),国家自然科学基金(NO.51775535)

分类号: O469

总页数: 66

文件大小: 4740K

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