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单层铁—石墨烯体系结构、磁性、力学及电子特性的第一性原理研究

单层铁—石墨烯体系结构、磁性、力学及电子特性的第一性原理研究

引用

作者：郝艳君山西师范大学

学位级别：硕士

石墨烯是碳的蜂窝状晶格结构的二维形式,具有超快的电子迁移率、优异的导热性以及较好的柔韧性等性质,因此被广泛地应用在传感器、超导体、超级电容器等相关领域。此外,石墨烯具有较弱的自旋轨道耦合作用特性,是一种理想的自旋电子学材... 详细信息

石墨烯是碳的蜂窝状晶格结构的二维形式,具有超快的电子迁移率、优异的导热性以及较好的柔韧性等性质,因此被广泛地应用在传感器、超导体、超级电容器等相关领域。此外,石墨烯具有较弱的自旋轨道耦合作用特性,是一种理想的自旋电子学材料,其自旋特性不仅能调节,甚至可以通过与原子或其它二维材料结合定制,从而使其具有更加灵活的性质和更广泛的应用。基于此,我们首先对单个铁原子作用在石墨烯边界形成的铁-石墨烯复合体系进行了系统的理论研究。对具有不同边界结构和吸附位点的体系,对其热力学稳定性、电子性质以及磁性进行了研究。根据Clar规则,发现复合体系的形成能、态密度和体系的周期长度有很强的依懒性。此外,铁原子作用在重构锯齿型边界形成的复合体系也具有较低的形成能和半导体性质。对体系磁性的分析发现体系的磁性依赖于其结构细节,特别是体系局部的成键信息等。然后,我们对单层铁-石墨烯纳米带异质体系的结构、力学性质及磁性进行了系统的研究,发现体系中铁原子的数目对复合体系的稳定性和磁性有很大影响。在体系力学性质的研究中,发现体系的力学本征强度不仅与体系中所含铁原子数目有关,还与石墨烯纳米带相接处的界面类型有关。而断裂位点则与其无关,不论体系中铁晶体与何种边界类型的石墨烯纳米带键合,当应变达到临界值时,断裂位点总是发生在铁晶体内部。通过对体系磁性的分析,发现体系中磁性主要来源于铁原子的自旋磁矩,部分来源于与铁原子相邻的碳原子的诱导磁矩。此外,对体系施加单轴应变时,体系的磁矩发生了显著的改变。特别是,当应变达到9%时,体系的磁矩发生了突变。这一发现为未来自旋电子学中应用应变来调控石墨烯的磁性提供了一种简单可行的方法。以上的理论计算,为二维异质材料的磁性基础性质、实验观测和器件应用提供了一定的理论支持。

关键词：密度泛函理论石墨烯边界 Clar规则磁性态密度本征强度

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