面外变形对二维纳米材料电子结构的影响机制研究

0 1 引言  

自2004年Novoselov等人利用机械剥离成功获得原子级厚度的石墨烯以来，其因具有优异物理化学性质成为了各领域的研究热点。石墨烯超薄的结构特性使得其在实际环境中极易发生面外变形，产生鼓包、褶皱等纳米级微结构。研究表明，面外变形将在石墨烯中引起晶格畸变，进而严重影响材料的电子结构和电荷输运性质。目前，理论模拟被广泛用于探究石墨烯中的面外变形效应，但几乎都是基于在单轴向（沿扶手椅或者锯齿形方向）压缩下形成的“一维” 褶皱结构模型，对于“零维”结构，比如鼓包等鲜有报道。而这两种变形模式对材料造成的晶格畸变有明显差异，因此揭示“零维”面外变形效应对石墨烯的电子结构和输运性质的影响对于进一步揭示石墨烯的构-效关系具有重要的科学意义。

0 2 成果简介  

本项目采用基于密度密度泛函理论的第一性原理计算，对石墨烯中的“零维”面外变形效应进行了深入探究。首先，通过对模型施加双轴向压缩获得了一系列不同面形程度的零维石墨烯凸起结构。通过结构分析发现，凸起的形成会在石墨烯的晶格中同时引入拉伸和压缩应变（-2% ~ 2%），这也导致整个结构中的电荷密度发生了明显地再分布。更有趣的是，随着石墨烯中“零维” 凸起的出现，石墨烯费米能级附近的能带发生了劈裂，这与凸起结构坡壁之间的耦合作用息息相关。其次，研究还发现石墨烯中形成的凸起会增加费米能级附近的电子态，这将很大程度地提高材料的化学活性。另外，研究发现石墨烯在发生“零维” 面外变形后，载流子的浓度明显增加，然而整体的电导率和电子热导率急剧下降，主要原因可能源于载流子有效质量的增加和声子散射的增强。最后， 本项目探究了面外变形对石墨烯中本征缺陷的影响，发现变形幅度越大，缺陷的形成越容易。本项目研究将为进一步揭示石墨烯的构-效关系和拓展其在各领域的应用提供重要的理论依据。

0 3 图文导读  

图1发生面外变形(a)前和(b)后石墨烯的结构；(c)AIMD模拟过程中体系的能量和温度变化情况。

图2石墨烯在(a) 5% (b) 10% 和 (b)15%的双轴向压缩下发生面外变形后结构的电荷分布以及(d-f)原子的在垂直于面内的位移图。

图3石墨烯在不同双轴向压缩下发生面外变形后结构中（a）C-C键长和(b-d)应变分布情况。

图4石墨烯在(a) 0%、 (b) 5%、(c)10% 和 (d)15%的双轴向压缩下发生面外变形后结构的能带图。

图5石墨烯在不同的双轴向压缩下发生面外变形后结构的态密度图。

图6石墨烯在不同的双轴向压缩下发生面外变形后结构的(a)载流子浓度、(b)电导率和(c)电子热导率。

表 1 . 石墨烯在不同的双轴向压缩下发生面外变形后结构中不同区域的碳空位的形成能

图7发生面外变形后石墨烯结构中不同位置的C空位的结构演化。

0 4 小结  

本项目采用第一性原理计算方法，利用鸿之微RESCU等软件研究了“零维”面外变形对石墨烯的几何结构、电子结构和输运性质的影响。结果表明石墨烯中形成的“零维”变形可以在晶格中引入机械应变，进而引起明显的电荷重布，且在变形幅度较大的区域尤为明显。能带计算表明“零维”变形没有打开石墨烯的带隙，但凸起结构的坡壁之间的耦合作用导致了能带结构的劈裂。此外。“零维”变形使得石墨烯费米附近的电子态增加，意味着材料的化学活性得以提高。另外，载流子浓度随着变形幅度呈指数增加，然而变形使得载流子有效质量和声子散射增加，导致石墨烯的输运性能下降。最后，研究发现面外变形可以极大地降低石墨烯中碳空位的形成能。

审核编辑 ：李倩