石墨炔衍生物结构稳定性和电子结构的第一性原理研究

作     者：陈献 

作者单位：厦门大学 

学位级别：硕士

导师姓名：朱梓忠

授予年度：2017年

学科分类：07[理学] 0703[理学-化学] 070301[理学-无机化学] 

主      题：石墨炔 碳原子链 sp/sp2杂化 第一性原理计算 

摘      要：目前,高分子碳材料最为活跃的方向研究方向是二维碳材料,这要归于2010年Geim和Konstantin在二维材料石墨烯方面开创性的研究,两人也因此获得诺贝尔物理学奖。合成、制备新的碳的同素异形体是过去几十年研究的重点,石墨烯(graphene)的成功制备激发了科学家们新的研究热情,使得碳材料的研究进入一个新阶段。近年一种新的二维材料石墨炔由其在电子、光电、能源、催化等领域的应用前景引起人们的广泛关注。本文通过基于密度泛函理论的第一原理计算,系统研究了两种石墨炔衍生物(Y石墨炔和g石墨炔)的结构稳定性、原子构型和电子性质。Y石墨炔衍生物的结构是由碳六元环以及连接六元环间的碳链组成,碳链上的碳原子数为N=1-6。研究结果表明,碳链上碳原子数的奇偶性对Y石墨炔衍生物的结构稳定和相应的原子构型、电子结构性质具有很大的影响。其奇偶性规律为:当六元环间的碳原子数为奇数时,体系中的碳链均为双键排布,系统呈现金属性;当六元环间的碳原子数为偶数时,系统中的碳链形式为单、三键交替排列,体系为直接带隙的半导体。直接带隙的存在能够促进光电能的高效转换,表明石墨炔可以在光电器件中得到应用。g石墨炔衍生物结构与Y石墨炔衍生物类似,不同的是碳链只存在于一个方向上,碳链上的碳原子数N=1～8。结果显示,碳链上碳原子数对g石墨炔衍生物的结构稳定和相应的原子构型、电子结构性质的影响并未出现像γ石墨炔衍生物那样大的奇偶依赖性,且g-N(N=1～8)均呈现金属性。本研究表明,将碳原子链引入到石墨烯碳六元环之间,通过控制引入的碳原子个数可以调控其金属和半导体电子特性,为设计和制备基于碳原子的可调控s-p杂化的二维材料和纳米电子器件提供了理论依据。