0 1引言

自2004年Novoselov等人利用機械剝離成功獲得原子級厚度的石墨烯以來，其因具有優(yōu)異物理化學性質(zhì)成為了各領(lǐng)域的研究熱點。石墨烯超薄的結(jié)構(gòu)特性使得其在實際環(huán)境中極易發(fā)生面外變形，產(chǎn)生鼓包、褶皺等納米級微結(jié)構(gòu)。研究表明，面外變形將在石墨烯中引起晶格畸變，進而嚴重影響材料的電子結(jié)構(gòu)和電荷輸運性質(zhì)。目前，理論模擬被廣泛用于探究石墨烯中的面外變形效應，但幾乎都是基于在單軸向（沿扶手椅或者鋸齒形方向）壓縮下形成的“一維” 褶皺結(jié)構(gòu)模型，對于“零維”結(jié)構(gòu)，比如鼓包等鮮有報道。而這兩種變形模式對材料造成的晶格畸變有明顯差異，因此揭示“零維”面外變形效應對石墨烯的電子結(jié)構(gòu)和輸運性質(zhì)的影響對于進一步揭示石墨烯的構(gòu)-效關(guān)系具有重要的科學意義。

0 2成果簡介

本項目采用基于密度密度泛函理論的第一性原理計算，對石墨烯中的“零維”面外變形效應進行了深入探究。首先，通過對模型施加雙軸向壓縮獲得了一系列不同面形程度的零維石墨烯凸起結(jié)構(gòu)。通過結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，凸起的形成會在石墨烯的晶格中同時引入拉伸和壓縮應變（-2% ~ 2%），這也導致整個結(jié)構(gòu)中的電荷密度發(fā)生了明顯地再分布。更有趣的是，隨著石墨烯中“零維” 凸起的出現(xiàn)，石墨烯費米能級附近的能帶發(fā)生了劈裂，這與凸起結(jié)構(gòu)坡壁之間的耦合作用息息相關(guān)。其次，研究還發(fā)現(xiàn)石墨烯中形成的凸起會增加費米能級附近的電子態(tài)，這將很大程度地提高材料的化學活性。另外，研究發(fā)現(xiàn)石墨烯在發(fā)生“零維” 面外變形后，載流子的濃度明顯增加，然而整體的電導率和電子熱導率急劇下降，主要原因可能源于載流子有效質(zhì)量的增加和聲子散射的增強。最后， 本項目探究了面外變形對石墨烯中本征缺陷的影響，發(fā)現(xiàn)變形幅度越大，缺陷的形成越容易。本項目研究將為進一步揭示石墨烯的構(gòu)-效關(guān)系和拓展其在各領(lǐng)域的應用提供重要的理論依據(jù)。

0 3圖文導讀

圖1發(fā)生面外變形(a)前和(b)后石墨烯的結(jié)構(gòu)；(c)AIMD模擬過程中體系的能量和溫度變化情況。

圖2石墨烯在(a) 5% (b) 10% 和 (b)15%的雙軸向壓縮下發(fā)生面外變形后結(jié)構(gòu)的電荷分布以及(d-f)原子的在垂直于面內(nèi)的位移圖。

圖3石墨烯在不同雙軸向壓縮下發(fā)生面外變形后結(jié)構(gòu)中（a）C-C鍵長和(b-d)應變分布情況。

圖4石墨烯在(a) 0%、 (b) 5%、(c)10% 和 (d)15%的雙軸向壓縮下發(fā)生面外變形后結(jié)構(gòu)的能帶圖。

圖5石墨烯在不同的雙軸向壓縮下發(fā)生面外變形后結(jié)構(gòu)的態(tài)密度圖。

圖6石墨烯在不同的雙軸向壓縮下發(fā)生面外變形后結(jié)構(gòu)的(a)載流子濃度、(b)電導率和(c)電子熱導率。

表 1 . 石墨烯在不同的雙軸向壓縮下發(fā)生面外變形后結(jié)構(gòu)中不同區(qū)域的碳空位的形成能

圖7發(fā)生面外變形后石墨烯結(jié)構(gòu)中不同位置的C空位的結(jié)構(gòu)演化。

0 4小結(jié)

本項目采用第一性原理計算方法，利用鴻之微RESCU等軟件研究了“零維”面外變形對石墨烯的幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和輸運性質(zhì)的影響。結(jié)果表明石墨烯中形成的“零維”變形可以在晶格中引入機械應變，進而引起明顯的電荷重布，且在變形幅度較大的區(qū)域尤為明顯。能帶計算表明“零維”變形沒有打開石墨烯的帶隙，但凸起結(jié)構(gòu)的坡壁之間的耦合作用導致了能帶結(jié)構(gòu)的劈裂。此外。“零維”變形使得石墨烯費米附近的電子態(tài)增加，意味著材料的化學活性得以提高。另外，載流子濃度隨著變形幅度呈指數(shù)增加，然而變形使得載流子有效質(zhì)量和聲子散射增加，導致石墨烯的輸運性能下降。最后，研究發(fā)現(xiàn)面外變形可以極大地降低石墨烯中碳空位的形成能。

審核編輯 ：李倩