金掺杂锯齿型石墨烯纳米带的电磁学特性研究

胡小会; 许俊敏; 孙立涛

doi:10.7498/aps.61.047106

摘要

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了金原子填充锯齿型石墨烯纳米带 (ZGNRs)中双空位结构的电磁学特性. 计算结果表明: 边缘位置是金原子的最稳定掺杂位置, 杂质原子的引入导致掺杂边缘的磁性被抑制, 不过掺杂率足够大时, 掺杂边缘的磁性反而恢复了. 金掺杂纳米带的能带结构对掺杂率敏感: 随着掺杂率的增大, 掺杂纳米带分别表现半导体特性、半金属特性以及金属特性. 本文的计算表明金原子掺杂可以调制ZGNR的磁性以及能带特性, 为后续实验起指导作用, 有利于推动石墨烯材料在自旋电子学方面的应用.

关键词:

Abstract

Using first principle based on the density functional theory, we have studied the the electronic and magnetic properties of zigzag graphene nanoribbons (ZGNRs) doped by gold atoms in divacancy. Our calculations show that edge site is the most stable doping site for gold atom, and the magnetism of ZGNRs is inhibited by the introduction of impurities. However, in the case of large enough doping ratio, the magnetic moment of doped edge restores anomalously. The band structure characteristic of gold doped ZGNRs is sensitive to doping ratio. As the doping ratio increases, Au doped ZGNRs show semiconducting, half-metallic and metallic properties, respectively. Our calculations prove that gold atoms doped ZGNRs could modulate the magnetic and band structure character, guiding the follow-up experiments, and promoting the application of graphene in spintronics.

Keywords:

作者及机构信息

1.
东南大学MEMS教育部重点实验室, SEU-FEI纳皮米中心, 南京 210096

基金项目: 国家重点基础研究发展计划(973项目)(批准号: 2011CB707601, 2009CB623702), 国家自然科学基金(批准号: 51071044, 60976003, 61006011), 教育部新世纪优秀人才支持计划(批准号: NCEF-09-0293)和博士点基金(批准号: 20100092110014)资助的课题.

Authors and contacts

1.
SEU-FEI Nano-Pico Center, Key Lab of MEMS of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China

Funds: Project supported by the National Basic Research Program of China (Grant Nos. 2011CB707601, 2009CB623702), the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 51071044, 60976003, 61006011), the Program for New Century Excellent Talents in University (Grant No. NCEF-09-0293), and the Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education (Grant No. 20100092110014).

参考文献

[1]	Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, Jiang D, Zhang Y, Dubonos S V, Grigorieva I V, Firsov A A 2004 Science 306 666
[2]	Hwang E H, Das Sarma S 2008 Phys. Rev. B 77 115449
[3]	Morozov S V, Novoselov K S, Katsnelson M I, Schedin F, Elias D, Jaszczak J A, Geim A K 2008 Phys. Rev. Lett. 100 016602
[4]	Nakada K, Fujita M 1996 Phys. Rev. B 54 17954
[5]	Son YW, Cohen M L, Louie S G 2006 Phys. Rev. Lett. 97 216803
[6]	Barone V, Hod O, Scuseria G E 2006 Nano Lett. 6 2748
[7]	Varchon F, Feng R, Hass J, Li X, Nguyen B N, Naud C, Mallet P, Veuillen J Y, Berger C, Conrad E H, Magaud L 2007 Phys. Rev. Lett. 99 126805
[8]	Mattausch A, Pankratov O 2007 Phys. Rev. Lett. 99 076802
[9]	Lu Y H, He P M, Feng Y P 2008 J. Phys. Chem. C 112 12683
[10]	Schedin F, Geim A K,Morozov S V, Hill EW, Blake P, Katsnelson M I, Novoselov K S 2007 Nat. Mater. 6 652
[11]	Ortmann F, Schmidt W G, Bechstedt F 2005 Phys. Rev. Lett. 95 186101
[12]	Cervantes-Sodi F, Csanyi G, Piscanec S, Ferrari A C 2008 Phys. Rev. B 77 165427
[13]	Uthaisar C, Barone V, Peralta J E 2009 J. Appl. Phys. 106 113715
[14]	Choi S M, Jhi S H 2008 Phys. Rev. Lett. 101 266105
[15]	Rigo V A, Martins T B, Silva A J R, Fazzio A, Miwa R H 2009 Phys. Rev. B 79 075435
[16]	Sevincli H, Topsakal M, Durgun E, Ciraci S 2008 Phys. Rev. B 77 195434
[17]	Krasheninnikov A V, Lehtinen P O, Foster A S, Pyykkö P, Nieminen R M 2009 Phys. Rev. Lett. 102 126807
[18]	Okamoto Y 2006 Chem. Phys. Lett. 420 382
[19]	Gan Y J, Sun L T, Banhart F 2008 Small 4 587
[20]	Zhang W, Sun L T, Xu Z J, Krasheninnikov A V, Huai P, Zhu Z Y 2010 Phys. Rev. B 81 125425
[21]	Krasheninnikov A V, Lehtinen P O, Foster A S, Nieminen R M 2006 Chem. Phys. Lett. 418 132
[22]	Delley B 1990 J. Chem. Phys. 92 508
[23]	Delley B 2000 J. Chem. Phys. 113 7756
[24]	Perdew J P, Burke K, Ernzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865

施引文献

[1]	Novoselov K S, Geim A K, Morozov S V, Jiang D, Zhang Y, Dubonos S V, Grigorieva I V, Firsov A A 2004 Science 306 666
[2]	Hwang E H, Das Sarma S 2008 Phys. Rev. B 77 115449
[3]	Morozov S V, Novoselov K S, Katsnelson M I, Schedin F, Elias D, Jaszczak J A, Geim A K 2008 Phys. Rev. Lett. 100 016602
[4]	Nakada K, Fujita M 1996 Phys. Rev. B 54 17954
[5]	Son YW, Cohen M L, Louie S G 2006 Phys. Rev. Lett. 97 216803
[6]	Barone V, Hod O, Scuseria G E 2006 Nano Lett. 6 2748
[7]	Varchon F, Feng R, Hass J, Li X, Nguyen B N, Naud C, Mallet P, Veuillen J Y, Berger C, Conrad E H, Magaud L 2007 Phys. Rev. Lett. 99 126805
[8]	Mattausch A, Pankratov O 2007 Phys. Rev. Lett. 99 076802
[9]	Lu Y H, He P M, Feng Y P 2008 J. Phys. Chem. C 112 12683
[10]	Schedin F, Geim A K,Morozov S V, Hill EW, Blake P, Katsnelson M I, Novoselov K S 2007 Nat. Mater. 6 652
[11]	Ortmann F, Schmidt W G, Bechstedt F 2005 Phys. Rev. Lett. 95 186101
[12]	Cervantes-Sodi F, Csanyi G, Piscanec S, Ferrari A C 2008 Phys. Rev. B 77 165427
[13]	Uthaisar C, Barone V, Peralta J E 2009 J. Appl. Phys. 106 113715
[14]	Choi S M, Jhi S H 2008 Phys. Rev. Lett. 101 266105
[15]	Rigo V A, Martins T B, Silva A J R, Fazzio A, Miwa R H 2009 Phys. Rev. B 79 075435
[16]	Sevincli H, Topsakal M, Durgun E, Ciraci S 2008 Phys. Rev. B 77 195434
[17]	Krasheninnikov A V, Lehtinen P O, Foster A S, Pyykkö P, Nieminen R M 2009 Phys. Rev. Lett. 102 126807
[18]	Okamoto Y 2006 Chem. Phys. Lett. 420 382
[19]	Gan Y J, Sun L T, Banhart F 2008 Small 4 587
[20]	Zhang W, Sun L T, Xu Z J, Krasheninnikov A V, Huai P, Zhu Z Y 2010 Phys. Rev. B 81 125425
[21]	Krasheninnikov A V, Lehtinen P O, Foster A S, Nieminen R M 2006 Chem. Phys. Lett. 418 132
[22]	Delley B 1990 J. Chem. Phys. 92 508
[23]	Delley B 2000 J. Chem. Phys. 113 7756
[24]	Perdew J P, Burke K, Ernzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865

[1]	卢一林, 董盛杰, 崔方超, 张开成, 刘春梅, 李杰森, 毛卓. 碳和氧掺杂紫磷烯作为双极磁性半导体材料的理论预测. , 2024, 73(1): 016301. doi: 10.7498/aps.73.20231279
[2]	吕永杰, 陈燕, 叶方成, 蔡李彬, 戴子杰, 任云鹏. 外加电场和B/N掺杂对锡烯带隙的影响. , 2024, 73(8): 083101. doi: 10.7498/aps.73.20231935
[3]	亢玉彬, 唐吉龙, 李科学, 李想, 侯效兵, 楚学影, 林逢源, 王晓华, 魏志鹏. Be, Si掺杂调控GaAs纳米线结构相变及光学特性. , 2021, 70(20): 207804. doi: 10.7498/aps.70.20210782
[4]	张华林, 何鑫, 张振华. 过渡金属原子掺杂的锯齿型磷烯纳米带的磁电子学特性. , 2021, 70(5): 056101. doi: 10.7498/aps.70.20201408
[5]	于鹏, 曹盛, 曾若生, 邹炳锁, 赵家龙. 金属离子掺杂提高全无机钙钛矿纳米晶发光性质的研究进展. , 2020, 69(18): 187801. doi: 10.7498/aps.69.20200795
[6]	马霞, 王静. 掺杂硅纳米梁谐振频率的理论模型及分子动力学模拟. , 2017, 66(10): 106103. doi: 10.7498/aps.66.106103
[7]	张华林, 孙琳, 韩佳凝. 掺杂三角形硼氮片的锯齿型石墨烯纳米带的磁电子学性质. , 2017, 66(24): 246101. doi: 10.7498/aps.66.246101
[8]	王海燕, 胡前库, 杨文朋, 李旭升. 金属元素掺杂对TiAl合金力学性能的影响. , 2016, 65(7): 077101. doi: 10.7498/aps.65.077101
[9]	刘奎立, 周思华, 陈松岭. 金属离子掺杂对CuO基纳米复合材料的交换偏置调控. , 2015, 64(13): 137501. doi: 10.7498/aps.64.137501
[10]	王艳丽, 苏克和, 颜红侠, 王欣. C在不同位置掺杂(n,n)型BN纳米管的密度泛函研究. , 2014, 63(4): 046101. doi: 10.7498/aps.63.046101
[11]	廖建, 谢召起, 袁健美, 黄艳平, 毛宇亮. 3d过渡金属Co掺杂核壳结构硅纳米线的第一性原理研究. , 2014, 63(16): 163101. doi: 10.7498/aps.63.163101
[12]	万步勇, 苑进社, 冯庆, 王奥. K,Na掺杂Cu-S纳米晶的水热合成及对结构、性能的影响. , 2013, 62(17): 178102. doi: 10.7498/aps.62.178102
[13]	周传仓, 刘发民, 丁芃, 钟文武, 蔡鲁刚, 曾乐贵. 钶铁矿型MnNb2O6的熔盐法合成、钒掺杂与磁性研究. , 2011, 60(4): 048101. doi: 10.7498/aps.60.048101
[14]	王雪梅, 刘红. 锯齿型石墨烯纳米带的能带研究. , 2011, 60(4): 047102. doi: 10.7498/aps.60.047102
[15]	张建东, 杨春, 陈元涛, 张变霞, 邵文英. 金原子掺杂的碳纳米管吸附CO气体的密度泛函理论研究. , 2011, 60(10): 106102. doi: 10.7498/aps.60.106102
[16]	梁伟华, 丁学成, 褚立志, 邓泽超, 郭建新, 吴转花, 王英龙. 镍掺杂硅纳米线电子结构和光学性质的第一性原理研究. , 2010, 59(11): 8071-8077. doi: 10.7498/aps.59.8071
[17]	张云, 邵晓红, 王治强. 3C-SiC材料p型掺杂的第一性原理研究. , 2010, 59(8): 5652-5660. doi: 10.7498/aps.59.5652
[18]	乐伶聪, 马新国, 唐豪, 王扬, 李翔, 江建军. 过渡金属掺杂钛酸纳米管的电子结构和光学性质研究. , 2010, 59(2): 1314-1320. doi: 10.7498/aps.59.1314
[19]	金胜哲, 黄祖飞, 明星, 王春忠, 孟醒, 陈岗. 二价金属元素掺杂对LiCoO2体系电子输运性质的影响. , 2007, 56(10): 6008-6012. doi: 10.7498/aps.56.6008
[20]	沈益斌, 周勋, 徐明, 丁迎春, 段满益, 令狐荣锋, 祝文军. 过渡金属掺杂ZnO的电子结构和光学性质. , 2007, 56(6): 3440-3445. doi: 10.7498/aps.56.3440

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