缺陷對(duì)石墨烯電子結(jié)構(gòu)的影響

由圖4(a)可以看出，對(duì)于50個(gè)碳原子的本征石墨烯超胞，能帶帶隙為零。以上經(jīng)過(guò)計(jì)算的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果相符，表明本征石墨烯具有良好的導(dǎo)電性。
在含50個(gè)碳原子的石墨烯超胞中，將兩個(gè)成鍵的碳原子旋轉(zhuǎn)90°，形成Stone-Wales缺陷，從而得到含Stone-Wales缺陷的石墨烯超胞，結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示。其計(jì)算的能帶結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示。從圖4(b)可看出，由于Stone-Wales缺陷的引入，使原本征石墨烯的導(dǎo)帶向高能方向移動(dòng)，移至0．7 eV左右，價(jià)帶沒(méi)有發(fā)生變化。但在0．5 eV處引入一條新的能帶，這條能帶是由Stone-Wales缺陷中存在的五元環(huán)和七元環(huán)所貢獻(xiàn)，此能帶為Stone-Wales缺陷的缺陷態(tài)。該條能帶的引入使石墨烯的帶隙增至0．637eV。
以50個(gè)碳原子的石墨烯超胞為基礎(chǔ)，在其中去掉一個(gè)碳原子，相鄰碳原子相互成鍵，幾何優(yōu)化后，得到含單空位缺陷石墨烯超胞，結(jié)構(gòu)如圖3(c)所示。其計(jì)算的能帶結(jié)構(gòu)如圖4(c)所示，從圖中可以看出，由于單空位缺陷的引入，使得本征石墨烯的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂之間引入了兩條新的能帶，并且導(dǎo)帶底向高能方向移動(dòng)，價(jià)帶頂同時(shí)向低能方向移動(dòng)，帶隙增至1．591 eV，使石墨烯具有半導(dǎo)體性。其中費(fèi)米能級(jí)上方的能帶十分平直，局域性很強(qiáng)，應(yīng)為單空位缺陷結(jié)構(gòu)中九元環(huán)上懸掛鍵產(chǎn)生的能帶，而在費(fèi)米能級(jí)下方的能帶應(yīng)為九元環(huán)中五邊形邊緣的碳原子所貢獻(xiàn)。這條能帶可作為單空位缺陷的缺陷態(tài)。
以50個(gè)碳原子的石墨烯超胞為基礎(chǔ)，在其中去掉兩個(gè)相鄰的碳原子形成雙空位缺陷，其穩(wěn)定構(gòu)型會(huì)形成一個(gè)八元環(huán)和兩個(gè)五元環(huán)，結(jié)構(gòu)如圖3(d)所示。計(jì)算得到的能帶結(jié)構(gòu)如圖4(d)所示，雙空位缺陷的引入使帶隙增加至1．207 eV，但由于雙空位結(jié)構(gòu)不存在含懸掛鍵的原子，因此沒(méi)有單空位缺陷的能帶結(jié)構(gòu)中由懸掛鍵貢獻(xiàn)的局域態(tài)很強(qiáng)的能帶，只在費(fèi)米能級(jí)上方產(chǎn)生了一條由五邊形和八邊形邊緣碳原子所貢獻(xiàn)的新能帶。此能帶應(yīng)為雙空位缺陷的缺陷態(tài)。
2．2 石墨烯及其缺陷體系的態(tài)密度
文中對(duì)石墨烯超胞及其缺陷體系進(jìn)行了態(tài)密度計(jì)算，其中所有態(tài)密度，為了能更好地體現(xiàn)出帶隙，均以Smear因子為0．05 eV進(jìn)行修正。各態(tài)密度圖中費(fèi)米能級(jí)與能帶結(jié)構(gòu)圖中情況相符均在零處。