石墨烯复合结构场发射机制的第一性原理研究

• 作 者: 邓林
• 机 构: 江苏大学
• 出 处: 江苏大学
• 发表日期: 2016年01期
• 关键词: 石墨烯复合结构 氮掺杂 场发射 第一原理

石墨烯为自然界中首例稳定的二维晶体形貌,其自2004年被人们实验发掘至今,石墨烯基复合材料在固体物理学科、材料学科以及微纳电子学科等范畴激起了人们浓厚的兴趣。石墨烯是一类将碳排列成一层片状形貌的新式炭质原料。它以2sp杂化,呈六角蜂窝态的平面薄膜,并且只有一个碳原子层厚度。石墨烯依赖其稳定且独特的网形构造,促使它在力、光、热、电、磁、机械特性等学科显露出独特而杰出的性质,在微纳米电器件、太阳能电池、气体传感器、超级电容器、场发射以及储氢设备有着潜在、重要的使用前途。石墨烯凭借其独有的电子性能、大的比表面积、高稳定性、特别的边界条件和连贯的电流密度已经被人们视为优质的场发射原料。当前,对氧化石墨烯与石墨烯纳米片层的场发射特征探寻已有显著成效。但石墨烯的普遍运用,现今依然阻碍重重。鉴于石墨烯众多特殊的性质,且至今其与传统原料复合的深入研究还不是很多,致使其许多优异的性质没有充分表达出来。同时,石墨烯载流子浓度高、电阻率低,而其半导体特征并不显著,这也在某些程度上妨碍了石墨烯的运用与发展。基于以上分析,针对石墨烯基复合材料的进一步探索就变得极其必要。本文采用第一原理计算方法,对石墨烯-碳管、氮掺杂石墨烯-碳管、石墨烯-富勒烯、氮掺杂石墨烯-富勒烯复合结构的场发射机理实施研究。为探索石墨烯复合材料的场发射机制,我们分别构建了石墨烯-碳管、石墨烯-富勒烯两种复合结构。在不同的电场条件下,我们对复合结构的结合能、离化能、功函数实施了计算,并对其局域电子密度布局、HOMO-LUMO能级及带隙、Mulliken电荷布局实施了相应的分析。研究发现:离化能与功函数随电场的增强而不断变小,说明场发射能力取得了显著提升。在外加电场条件下,HOMO和LUMO能级均向真空能级方向转移,同时费米能级也向真空能级迁移,且HOMO-LUMO带隙都保持很小的数值并逐渐降低。两种复合结构在电场的作用下均有局域电子态出现,然而这些局域电子态与场发射能力成正相关。Mulliken电荷的有效迁移,显著表明我们所构建的复合结构确实具备优越的场发射能力。为进一步提升石墨烯复合物的场发射能力,我们分别构建了氮掺杂石墨烯-碳管、氮掺杂石墨烯-富勒烯两种复合结构。为寻求复合结构中的最佳掺杂点,我们挑选了多个不同的掺杂位置实施比较。研究表明:氮原子的掺杂使得HOMO-LUMO带隙进一步减小,离化能和功函数也进一步降低。此外,随着氮的引入,两种复合结构的LUMO分别从最初的石墨烯纳米盘上转移到了碳管和富勒烯上,分别形成了耦合态和局域态,且更多的负电荷大量集聚在氮原子上。以上特征都将改良整个复合模型的电子结构,从而提升复合模型的场发射能力。