功能导向的石墨烯量子点结构设计

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1、硕士学位论文功能导向的石墨烯量子点结构设计作者姓名曹志鹏学科专业凝聚态物理指导教师杨小宝教授所在学院物理与光电学院论文提交日期2018年4月Thefunctionally-orientedstructuredesignofgraphenequantum-dotsADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：CaoZhipengSupervisor：Prof.YangXiaobaoSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China

2、分类号：学校代号：10561学号：201520122375华南理工大学硕士学位论文功能导向的石墨烯量子点结构设计作者姓名：曹志鹏指导教师姓名、职称：杨小宝教授申请学位级别：硕士学科专业名称：凝聚态物理研究方向：计算凝聚态物理论文提交日期：2018年4月13日论文答辩日期：2018年6月4日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：年月日答辩委员会成员：主席：李志兵委员：邓文基李志远黄学勤姚尧摘要石墨烯量子点结构多样，性能丰富，在纳米器件领域具有较大的潜在应用。由于可能的结构数目过多，对石墨烯量子点结构和性能的系统研究仍然是一个挑战

3、。本文提出了一个有效的解决方案，包括结构识别、能隙评估模型以及蒙特卡洛树搜索。运用结构识别技术，我们对碳原子数目较小的石墨烯量子点进行了高通量第一原理计算；考虑局域成键环境，我们确定了6种不等价碳原子和13种碳碳键，提出了多参数紧束缚模型与第一性原理计算数据拟合，得到很好的结果，可以高精度并快速评估体系的能隙。结合蒙特卡洛树搜索方法和等价性判断，我们找出了不同碳原子数下结构和能隙分布之间的关联，并通过第一性原理计算证实了相关结果。我们发现，对于不同饱和氢原子数的石墨烯量子点，氢原子的化学势会影响体系结构稳定性，有着相同碳、氢原子

4、的同分异构体的稳定性随能隙增大而增加。由于量子限制效应的存在，一般的高对称结构能隙往往随着尺寸的增加而减少，而我们的搜索发现最大能隙随着碳原子数的增加表现出波动，这反映出体系的能隙依然主要由结构特征决定。我们的结果展示了石墨烯量子点能隙随结构呈现出丰富的多样性，这有助于拓展石墨烯量子点在纳米光电器件、生物医学荧光标记等领域的潜在应用。关键词：石墨烯量子点；能隙；第一性原理计算；紧束缚模型；蒙特卡洛树搜索IABSTRACTGraphenequantum-dotshavethediversitiesofstructuresandpr

5、opertieswhichindicatealargepotentialapplicationinthefieldofnano-devices.However,itisstillachallengetoperformasystemicresearchaboutstructuresandpropertiesofgraphenequantum-dotsduetothepresenceofnumerouscandidates.Inthiswork,weshowedaneffectivemethodthatinvolvedstructu

6、ralrecognition,energygapevaluationandMonteCarlotreesearch.Byusingthestructuralrecognitiontechnology,weperformedthefirst-principleshighthroughputcalculationsonstructureswithsmallcarbonatoms.Consideringthelocalbondingenvironment,wehavedeterminedsixandthirteentypesofine

7、quivalentcarbonatomsandcarbon-carbonbonds,respectively.Weproposedatight-bindingmodelwiththirteenparametersfittedfromthefirst-principlescalculationsdata,whichprovidedanidealavenuetoquicklyevaluatetheenergygapsofcandidateswithhighaccuracy.CombiningtheMonteCarlotreesear

8、chmethodandthecongruencecheck,wedeterminedthecorrelationbetweenstructuresandthegapdistributionsasafunctionofcarbonnumbers,whichisin