孔洞石墨烯电子结构及其功能器件的第一性原理研究

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1、中图分类号0469UDC530硕士学位论文学校代码!Q主三三密级公开孑L洞石墨烯电子结构及其功能器件的第一性原理研究AFirst—principlesStudyofElectronicStructuresandFunctionalDevicesBasedonGraphene"thNanohol(raoneneWlttlNanonoles作者姓名：学科专业：研究方向：学院(系、所)：指导教师：论文答辩日期』3⋯526彭盛霖物理学凝聚态物理物理与电子学院欧阳方平中南大学2013年5月原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加

2、以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。作者签名：垫壑基日期：2Q!三年上月三里日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到《中国学位论文全文数据库》，并通过网络向社会公众提供信。e,HE务。日期

3、：2Q13年』月丝Et孔洞石墨烯电子结构及其功能器件的第一性原理研究摘要：本文结合密度泛函理论，紧束缚理论及非平衡格林函数输运理论，研究了石墨烯材料的改性及其功能器件的计算设计。着重研究了Zigzag边缘六边形孔洞石墨烯(GALswithZigzag．edgedHexagonalAntidots，ZH．GALs)的带隙开闭规律，并模拟了石墨烯纳米孔DNA传感器件的输运性质。本文研究发现了ZH．GALs带隙闭合与打开的一般规律。使用参数{胁。，玎。】，[所：，"：])描述石墨烯超晶格结构，得到了一些以往研究中未被发现的构型。发现可以根据反点间相对位置将所有量子反点分为三类。有趣的是，只有在这

4、三类量子反点的数目不等时，ZH．GALs出现较大带隙。同时，也发现ZH．GALs的打开与闭合主要由谷间散射决定。上述研究结果提供了一条途径来预测GALs的电学性质，有助于设计获得具有指定带隙的GALs，这对设计基于此类GALs的半导体与光电子器件具有重要意义。本文设计并模拟了一种石墨烯基的DNA分子传感器件，该器件由石墨烯纳米带电极和具有纳米孔的石墨带组成。研究发现，利用此类纳米孔石墨烯器件横向电流变化信息，可以较好地区分DNA的4种碱基分子。同时，器件横向电流对进入纳米孔碱基的构象敏感，需要在同一构象下，横向电流对不同碱基分子才有区分度。通过对透射谱和前线轨道能量的分析，发现器件本身的输

5、运通道对横向电流变化起主要贡献，基于器件．分子．器件的隧穿电流的影响可以忽略。还发现碱基分子对器件输运轨道的影响是长程的，碱基分子在距离纳米孔较远时仍能有效影响电流。因此，此类器件用于检测碱基短链时，需要考虑多层碱基的影响。关键词：密度泛函理论；紧束缚；孑L洞石墨烯；能带工程；DNA测序；第一性原理分类号：0469；048AFirst．principlesStudyofElectronicStructuresandFunctionalDevicesBasedonGraphenewithNanoholesAbstract：Basedondensityfunctionaltheory(DFT)

6、，extendedHuckeltight-binding(DFTB)theoryandnonequilibriumGreen’Sfunction(NEGF)formalism．electronicmodificationandfunctionaldevices—designofgraphenematerialhavebeenstudied．Thispaperfocusesonlawofbandgapopening／closingofGALswithzigzag—edgedhexagonalholes(ZH—GALs)andsimulationoftransportpropertiesofg

7、raphenenanoholeDNAsensors．Weobtainedthegenerallawforestimatingbandgapopening／closingofZH-GALs．Usingparameter{[聊1，珂l】，In2，，22])tomodeltheselatticestructures，wecanobtainGALspatternsmissedinthepreviousresearchwork．W