外来原子替代碳的氟化石墨烯的磁性和电子性质.pdfVIP

物 理 学报 ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．4(2014) 046102 外来原子替代碳的氟化石墨烯的磁性和电子性质术 高潭华十 (武夷学院机电工程学院，武夷山 354300) (2013年9月28日收到；2013年10月23日收到修改稿) 采用基于 自旋极化密度泛函理论的第一性原理计算，研究了在氟化石墨烯中少量C原子被M 原子 (M =B，N，Si，P)替代后原子片的磁性和电子性质．结果表明：不同原子掺杂后的氟化石墨烯的电子结构会 发生很大的变化，并有很大的不同．掺杂B和P原子后，纳米原子片由半导体转变为金属，并且由非磁性转变 为磁性；掺杂N原子后，材料则仍为半导体，但具有磁性；进一步讨论了掺杂原子浓度与磁性的关系．对于Si 原子掺杂的氟化石墨烯原子片，其半导体性质不变，但禁带宽度也会发生改变． 关键词：氟化石墨烯，掺杂，电子结构，第一原理性计算 PACS：61．48．Gh，75．30．Cr，71．15．Mb，71．20．-b DOI：10．7498／aps．63．046102 C的氟化石墨烯原子片，这些纳米材料可能在纳米 1 引 言 电子学和 自旋 电子学中具有潜在的应用前景．本文 采用第一性原理方法，系统地研究少量C原子被B， 二维材料以其独特的结构和新奇的电子性 N，Si，P等原子替代后的椅型构型氟化石墨烯的结 质，近年来受到人们的极大关注 [1--14]．自2004年 构和电子性质．通过对体系的能带结构、电子态密 Novosolov等 【]分离出石墨烯 (graphene)以来，人 度以及差分电荷密度的分析，研究了掺杂氟化石墨 们在实验上又获得了其衍生物：石墨烯的氢化材 烯原子薄片的磁性和 电子性质，并讨论磁性与掺杂 料一一石墨烷 (graphane)[引，以及石墨烯的氟化材 原子以及掺杂浓度的关系． 料一 氟化石墨烯 ffluorographen)[3]．全氟化椅型 构型的氟化石墨烯具有高机械强度、宽带隙等优 良 2 模型与计算方法 的物理特性，受到人们的广泛关注．理论上，Sahin 等 8【l采用第一性原理方法研究了F不同覆盖水平 理想的全氟化石墨烯椅型结构为在石墨烯原 的氟化石墨烯的机械特性和电子结构；Leenaerts 子薄片的上下表面上相间隔的每一个C原子吸附 等 0【】则对不同构型的全氟化石墨烯的结构稳定性 一 个F原子．本文采用4×4×1f64个原子组成1 和电子性质进行了研究，并与不同构型的石墨烷做 的超原胞 (如图1所示)，掺杂的原子 (B，N，Si，P) 了比较；Liu等 对不同F覆盖度的氟化石墨烯的 位于原胞的中心，替代中心处的C原子，掺杂的浓 磁性和电子性质进行了研究，得出了氟化石墨烯的 度为3．125％． 电子结构和磁性与F的覆盖程度密切相关的结论． 本文的计算采用了基于 自旋极化的密度泛函 掺杂是用来调节纳米结构电子性质的一种行 理论框架下的投影缀加波方法 怕【，】和VASPfVi— 之有效的方法，通过离子移植，硼原子可以替代石 enna06initiosimulationpackage1程序包 [17,18】， 墨烯中的碳原子 [11】；通过与NH3电热反应可得到 交换关联势采用广义梯度近似 [19]使用 的是 N替代C原子的掺杂石墨烯 [12]．这些N型或P型 Perdew—Wang91交换关联函数．平面波截断动能 材料掺杂的石墨烯氟化后就形成了外来原子替代 为500e