双空位掺杂氟化石墨烯的电子性质和磁性-论文.pdf

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．18(2014)186101双空位掺杂氟化石墨烯的电子性质和磁性冰徐雷戴振宏十隋鹏飞王伟田孙玉明(烟台大学光电信息科学技术学院，烟台264005)(2014年4月11日收到；2014年5月14日收到修改稿)基于密度泛函理论，计算了外来原子(A1，P，Ga，As，Si)双空位替代掺杂氟化石墨烯的电子特性和磁性．通过对计算结果分析发现，与石墨烯的双空位掺杂类似，氟化石墨烯的双空位掺杂也是一种较为理想的掺杂方式．通过不同原子掺杂，氟化石墨烯的电子性质与磁性

2、均发生很大变化：Al和Ga掺杂使氟化石墨烯由半导体变为金属，并且具有磁性；P和As掺杂使氟化石墨烯变为自旋半导体；Si掺杂氟化石墨烯仍是半导体，只改变带隙且没有磁性．进一步讨论磁性产生机制获得了掺杂原子浓度与磁性的关系，并且发现不同掺杂情况的磁性是由不同原子的不同轨道电子引起的．双空位掺杂不仅丰富了氟化石墨烯的掺杂方式，其不同电磁特性也使此类掺杂结构在未来的电子器件中具有潜在应用．关键词：第一性原理，氟化石墨烯，替代掺杂，电磁特性PACS：61．48．Gh，71．15．Mb，75．30．Cr，68．43

3、．BcDOI：10．7498／aps．63．186101或P型掺杂可以很好地改善石墨烯原有的电学和1引言磁学性质，使其可以更加广泛地应用到纳米电子器件中．最近有研究利用第一性原理在单空位掺杂由于石墨烯独特的结构和新奇的电子性质，石墨烯的基础上，计算氟化掺杂石墨烯的磁性和电自2004年发现至今一直是备受关注的二维纳米材子性质[19]．研究发现，不同原子掺杂后氟化石墨料[1-4】．实验上人tf]}H继获得了石墨烯的衍生物：烯的电子结构发生很大变化，磁性也各不相同．但氢化石墨烯f石墨烷)[5]以及氟化石墨烯[

4、6]．通过氢是Tsetseris等[20]对III族和V族元素掺杂石墨烯化与氟化均能使石墨烯获得更加丰富的电子特性．的最新研究表明，一个外来原子替代两个碳原子形特别是氟化石墨烯，由于氟原子较高的电负性以及成的双空位fV21掺杂更加理想：这种掺杂方式只氟化石墨烯化学组分的不确定性[7】．得到了研究者调节费米能级在价带中位置而不明显改变低能载的更多关注．通过不同程度氟化，石墨烯可以发生流子的电子性质，从而使其能更好地应用到石墨烯零带隙半导体到宽带隙半导体以及金属性质的转基纳米材料．基于这种双空位掺杂的优势，

5、我们计变，磁性变化也与氟化的程度相关[8]．此外，基于算了双空位掺杂氟化石墨烯的电子性质以及磁性．密度泛函理论，针对不同程度氟化石墨烯的稳定性这些纳米材料可能在电子器件中有着比单空位掺及带隙变化也有专门研究[9]．不断探索新型纳米材杂氟化石墨烯更广泛的应用，同时也丰富了氟化石料的电磁学性质一直是研究热点[10-12]．墨烯的掺杂方式，对同行有一定借鉴意义．掺杂是调节石墨烯电磁性质的另一行之有效的方法．硼原子和氮原子替代一个碳原子的单空2模型与计算方法位(V1)掺杂石墨烯在理论和实验上已有具体研究[13-

6、15】，其他III族和V族元素(A1，P，Ga，As)等氟化石墨烯模型采用4×4的超原胞，氟原子材料掺杂的石墨烯也有相关研究[16_1BI．这种N型在石墨烯表面上下相间吸附在每一个碳原子上，故教育部新世纪优秀人才支持计划(批准号：NCET一09-0867)资助的课题t通讯作者．E-maihzhdai@ytu．edu．an@2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyttp：／／wulixb．iphy．ac．c礼，186101—1物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．1

7、8(2014)186101计算采用的超原胞共64个原子，如图1fa)所示．对原子键长(dc—F)为1．38A，碳原子平面起伏()为于掺杂情况，我们共考虑了5种掺杂原子(A1，P，0．49A，结果与文献『81基本相符．对于双空位Al掺Ga，As，Si)的双空位掺杂，即一个掺杂原子替代中杂氟化石墨烯，我们只考虑掺杂原子周边键长变化，心处两个碳原子，掺杂浓度为约为3．23at％(掺杂发现经过掺杂，dc—c减小为1．55A，dc—F增大为原子数／碳原子与掺杂原子总数)，如图1(b)所示．1．41A，碳原子与铝原

8、子的键长(dc—A】)为2．08A，经过计算，我们发现氟原子更容易与碳原子结合，最大起伏变为0．50A．包括上述结果及其他原子而不是与掺杂原子结合．所以在本文计算采用的掺杂的变化情况如表1所示．表中还给出了各体系模型中，氟原子只吸附在碳原子上，原胞含有30个的形成能以及磁化能的变化情况．形成能的定义C，30个F以及1个掺杂原子，共61个原子．本文为：Eform=Etotal一(Eh0le+Ex)，其中，Etotal是全部计算均采用基于密度泛