摘要：近年来，石墨烯的磁性探讨引起了人们的极大关注。不同于一些含d或f壳层电子的元素构成的材料，碳材料通常不呈现磁性，而通过修饰和制造缺陷等策略可以使石墨烯产生磁性。石墨烯中只有着较弱的自旋-轨道耦合，电子自旋传输历程中容易制约，因而它被认为是制造自旋电子器件如自旋场效应晶体管(ET)的理想材料。本论文运用基于密度泛函论述的VASP (ViennaAb-initio Simulation Package)程序包，采取超原胞策略系统探讨了几种石墨烯纳米结构的电子结构和自旋特性，得到了一些比较有作用的结果。1.石墨烯上碳空位团诱导磁性规律探讨了不同空位团缺陷对石墨烯电子自旋特性的影响。石墨烯空位诱导磁性依赖于局域的键合环境，缺失奇数个碳(C)原子的空位构型至少有着一个悬挂键，空位处的未配对电子的自旋极化诱导了石墨烯系统的磁性。含空位(单空位除外)石墨烯系统的基态磁矩大小可表示为公式V n (N_b Nm) B，n是指缺失的C原子数目且n为大于1的整数，N_b代表空位周围断了键的C原子数目，其中，有Nm个C原子两两处于间位(沿六元环间隔一个格点)。该公式揭示了含空位石墨烯系统的基态磁矩和空位团大小及其形状之间的联系，可用于判断含空位石墨烯系统有无磁性并估算磁矩的大小。2.锯齿型石墨烯纳米带的带边耦合及边缘重构对它的影响对于带宽小于26.31的锯齿型石墨烯纳米带(ZGNR)，在布里渊区的点附近，自旋向上和向下的边缘态能带分别劈裂成两个子带，随着带宽的减小，能带劈裂能值呈指数性增加。边缘态劈裂是由两纳米带带边间的库伦和类RKKY(Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida-pke)两种相互作用引起的，后者以纳米带上的π电子为媒介。对于较宽的ZGNR，边缘态不再劈裂，纳米带两边缘之间的耦合可忽略。此外，带边原子磁矩随带宽的增加而增大，当带宽大于26.31时，磁矩大小不再变化。所以，该宽度即为能保持锯齿型石墨烯纳米带电子自旋性质的最小宽度。边缘5-7重构使ZGNR更加稳定，重构边缘的自旋磁矩消失，纳米带两带边之间的耦合也因类RKKY相互作用的消失而减弱。3.石墨烯纳米带的带间耦合侧向平行的石墨烯纳米带彼此靠近到一定距离时，纳米带间的面内耦合导致边缘态劈裂。对于锯齿型带，耦合源于两纳米带间的库伦相互作用和自旋-自旋相互作用；对于扶手椅型带，耦合仅仅源于带间的库伦相互作用。对于8-ZGNR和14-AGNR，当带间距离分别大于10和6时，系统的总能和电子结构都不再随带间距离增大而变化。由此，10和6分别为能保持两种纳米带电子性质的最小带间距。此外，沿带方向的带间相对位移仅对有着较强带间耦合的石墨烯带的电子自旋特性有影响。4．硫原子“缝合”的锯齿型石墨烯双带探讨了硫(S)原子带边吸附对双层锯齿型石墨烯纳米带的原子结构和电子自旋性质的影响。S原子sp2杂化并和边缘C原子形成共价键，吸附为化学吸附。吸附于两带边缘的S原子将两个同宽度的锯齿型石墨烯纳米带“缝合”起来，形成一个稳定的扁平纳米管，所以S原子起到了一种类似于“粘合剂”的作用。带边S原子sp2杂化和带间范德瓦尔斯(Van der Waals)力的共同作用导致较宽石墨烯双带的中部出现塌缩，纳米带越宽，塌缩越显著。S原子的电子和纳米带边缘态作用成键，饱和了原纳米带边缘的悬挂电子，形成新的电子态。空位诱导的磁矩可能会转变自旋电子在石墨烯中的传输，这在石墨烯自旋电子学上有重要的实际作用；能保持石墨烯纳米带电子性质的最小宽度和最小带间距很可能决定了石墨烯基电子器件的微型化程度；S“缝合”锯齿型石墨烯双带的探讨为多层石墨烯纳米带的运用提供了论述支持。本论文结论对纳米电子学中石墨烯自旋器件的设计制造及器件的微型化具有重要的论述作用。关键词：空位团论文石墨烯纳米带论文硫“缝合”论文自旋-自旋耦合论文能带结构论文自旋极化密度泛函论述．论文
摘要4-6
ABSTRACT6-12
第一章 绪论12-32
1.1 石墨烯概述12-14
1.2 石墨烯的物理性质14-18
1.3 石墨烯纳米结构的制备18-25
1.4 石墨烯纳米结构的磁性25-29
1.5 石墨烯自旋电子学探讨进展29-30
1.6 主要探讨内容30-32
第二章 论述基础及计算策略介绍32-41
2.1 密度泛函论述33-37
2.1.1 绝热近似33-34
2.1.2 Hohenberg-Kohn定理34
2.1.3 Kohn-Sham方程34-36
2.1.4 局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)36-37
2.2 布洛赫定理和超原胞模型37-39
2.2.1 布洛赫定理37-38
2.2.2 超原胞模型38-39
2.3 缀加平面波函数(PAW)39
2.4 VASP 程序包39-41
第三章 石墨烯上空位团诱导磁性规律41-50
3.1 前言41-42
3.2 含空位团石墨烯的原子结构及电荷分布42-45
3.3 石墨烯上空位团诱导磁性45-48
3.3.1 电子态密度45-46
3.3.2 自旋密度46-48
3.4 本章小结48-50
第四章 锯齿型石墨烯纳米带宽度对带边耦合的影响50-60
4.1 前言50-52
4.2 带边耦合随带宽的变化52-58
4.2.1 原子结构和电荷密度52-53
4.2.2 能带结构53-56
4.2.3 自旋密度56-58
4.3 本章小结58-60
第五章 侧平行石墨烯纳米带带间距离对带间面内耦合的影响60-72
5.1 前言60-62
5.2 ZGNRs的带间侧向面内耦合62-66
5.2.1 原子结构和电荷密度62-64
5.2.2 自旋密度64
5.2.3 能带结构64-66
5.3 AGNRs的带间侧向面内耦合66-69
5.3.1 原子结构和电荷密度66-67
5.3.2 能带结构67-69
5.4 本章小结69-72
第六章 硫原子“缝合”的锯齿型石墨烯双带72-78
6.1 前言72-73
6.2 带边硫吸附诱导扁平管状结构73-75
6.3 硫“缝合”石墨烯双带的(差分)电荷分布75-76
6.4 硫“缝合”石墨烯双带的能带结构76-77
6.5 本章小结77-78
第七章 总结与展望78-80
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