氮化硼-石墨烯复合纳米体系电子结构与输运性质的研究

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1、ElectronicandTransportPropertiesofBoronNitride-GrapheneHybridNanostructuresCandidateHuapingXiaoSupervisorProf.JianxinZhongCollegeFacultyofMaterial&PhotoelectronicPhysicsProgramCondensedMatterPhysicsSpecializationComputationalCondensedMatterPhysicsDegreeDoctorofPhilosophyUniversityXiangtanUniversit

2、yDateApril2012湘潭大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湘潭大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩

3、印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要随着石墨烯、石墨烯纳米带、碳纳米管、单原子层六角氮化硼薄膜、六角氮化硼纳米带、六角氮化硼纳米管的成功制备，这些低维纳米材料在微纳电子器件领域展现出巨大的潜在应用前景，基于碳(C)及氮化硼(BN)的纳米材料很快成为凝聚态物理的研究热点，随着研究的深入，基于BNC的复合纳米结构由于具有独特的结构、丰富的物理化学性质、自旋极化特性及其电子结构和输运性质的可控调制特征，也很快引起了人们的关注。本文针对几种典型的BNC复合纳米材料的结构特征、电子结构及其输运性质进行了系统的研究，得到了如下

4、主要研究成果：1.基于密度泛函理论的第一性原理方法，研究了尺寸效应对锯齿型BNC复合纳米带中半金属特性的制约机制。结果表明，所有的两片段BNC复合纳米带都具有反铁磁的基态，当纳米带中的固定ZGNR片段包含9条锯齿型碳链时，其电子性质基本上不受ZBNNR片段宽度变化的影响。对于具有固定的9条锯齿型BN链的纳米带，其电子结构随着ZGNR片段的增加而出现从半导体-半金属-金属的转变，转变尺寸依赖于复合界面的类型。2.基于密度泛函理论和非平衡格林函数方法，系统研究了两片段的复合纳米管BN20-nCnNTs以及四片段复合纳米管BNmCmBNmCmNTs和BNmCmNBmCmNTs(m=3,4,5)的

5、结构稳定性、电子结构及电子输运性质特征。结果表明，两片段复合纳米管BN20-nCnNTs属于带隙依赖于组分的窄带隙半导体；所有四片段的BNmCmBNmCmNTs都属于半导体，带隙随着直径的增长而下降，而所有四片段的BNmCmNBmCmNTs都属于金属。进一步的传输性质研究表明，两片段的复合管型并不能带来电子输运上的增益，而四片段的复合管型则在费米能级附近带来很好的增益。金属型的BN5C5NB5C5NT比半导体型的BN5C5BN5C5NT增益更明显，在其费米能级出现高达6G0的传输平台。3.基于密度泛函理论和非平衡格林函数方法，系统研究了由单壁碳纳米管和单壁氮化硼纳米管构成的异质结构(BN/

6、C)中的电子输运性质和可调制微分电阻效应。以(5,5)型碳纳米管和氮化硼纳米管为基础构建模型，结果表明，BN/C纳米管异质结的传输电导和微分电导将随着氮化硼管比例的增加而逐渐下降。4.基于密度泛函理论和非平衡格林函数方法，研究了将石墨烯纳米带中碳原子链替换为B(N)原子链构成的复合石墨烯纳米带中的电子输运性质。结果显示扶手型的复合纳米带从半导体转变为金属，而锯齿型的复合纳米带的电子输运性质得到了极大的提高，其费米能附近的电子传输电导增加到6G0(5G0)。5.基于安德森紧束缚模型，研究了无序双层六角氮化硼量子薄膜的电子性质。数值计算结果表明在双层都无序掺杂的情况下，六角氮化硼量子薄膜的电子

7、是局域的，其表现为绝缘体性质；而对于单层掺杂(无论是氮原子还是硼原子)的双层六角氮化硼量子薄膜，在能谱的带尾出现了持续的迁移率边，这说明在单层掺杂的双层六角氮化硼量子薄膜中产生了金属绝缘体转变。关键词：氮化硼-石墨烯复合纳米体系；电子结构与输运性质；密度泛函理论；非平衡格林函数方法。IIIAbstractWiththesuccessfulpreparationofadvancednanomaterialsofcarbon