CN110046447A - 一种形成石墨烯纳米带异质结的方法 - Google Patents
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Abstract
一种形成石墨烯纳米带异质结的方法，属于碳纳米材料技术领域。本发明采用一维纳米孔对石墨烯纳米带进行调谐，基于第一性原理计算方法，对具有不同形状纳米孔调谐后石墨烯纳米带单元的电子特性和带阶匹配进行仿真，通过仿真得到形成第I类带阶匹配或第II类带阶匹配异质结的纳米孔指导实际石墨烯纳米带上纳米孔设计。本发明能够形成I型和II型的带阶匹配，并且操作简单可控。基于I型带阶匹配构造的石墨烯异质结，可用于制造分子整流器和分子转换器等电子器件；基于II型带阶匹配构造的石墨烯异质结是潜在的光电器件的构成元件。本发明提出的调制方式可满足石墨烯纳米器件的多种设计要求，适用于不同纳米器件的设计，为石墨烯电子和光电器件的设计奠定了基础。
Description
技术领域
本发明属于碳纳米材料技术领域，具体涉及一种形成石墨烯纳米带异质结的方法。
背景技术
石墨烯自被发现以来，迅速引发了科研技术人员的研究热潮。作为目前备受关注的二维材料之一，石墨烯表现出诸多独特的物理特性，比如：较高的迁移率、较好的机械强度，较高的热导和较宽的光学吸收范围等。由于自身优异的性质，石墨烯成为制造电子学元件的理想材料，并且被认为是后摩尔时代替代硅的候选材料之一。但是想要成功替代硅成为未来的微电子材料，其中一个重要的阻碍因素便是石墨烯本身没有带隙(零带隙特性)，本征石墨烯的导带和价带相交于第一布里渊区的六个顶点，即狄拉克点，能带难以打开，使其无法在半导体领域直接应用，进而使其在电子器件方面的潜在应用受到了限制。为此，研究人员对如何打开石墨烯的带隙进行了大量研究，发展得到如下方法来实现石墨烯带隙的打开：(1)利用量子限制效应，通过制作特殊的石墨烯纳米结构来形成带隙，比如沿不同方向切割石墨烯形成具有不同边缘结构的纳米带，常见扶手椅型(AGNR)和锯齿型(ZGNR)边缘的石墨烯纳米带。该方法获得的石墨烯纳米带由于具有横向上的量子尺寸限制效应而打开带隙；(2)在二维石墨烯上形成周期性排布的六角状纳米孔，称为石墨烯纳米网格(GNM)；该方法获得的结构被视作纳米带形成的阵列，也能打开石墨烯的带隙；(3)通过吸附或是掺杂其他元素在导带和价带之间引入带隙。通过上述三种方法调谐石墨烯电子特性，能够使得石墨形成新的电子特性。
随着石墨烯纳米带技术的发展，微小尺寸纳米带已经被制备出来，石墨烯纳米带器件也获得了更多的关注，同时基于各种调谐方法的石墨烯异质结也得到了广泛的研究。在半导体物理学中，当两个不同半导体接触形成界面，即构成异质结。由于不同半导体材料具有不同的亲合势和不同的禁带宽度，如果不考虑在界面处的电子交换，则在界面附近具有不同的能带结构，就会形成不同匹配类型。如图1所示，原则上有三类异质结：(1)一种半导体的禁带完全包含在另外一种半导体的禁带之内，形成第I类的带阶，称为跨立型异质结；(2)两种半导体的禁带互相错开，一种半导体的最低导带和最高价带分别处于另外一种半导体之上，形成第II类的带阶，称为错开型异质结；(3)两种半导体的禁带没有共同的能量，一种半导体的价带处在另外一种半导体的导带之上，形成第III类的带阶，称为破隙型异质结。三种不同匹配类型的异质结在电子器件中具有不同的表现：跨立型异质结由于一种半导体的禁带完全包含在另外一种半导体的禁带之内，电子会从宽带流向窄带，使得窄带一边变为积累区；错开型异质结，由于其中一种半导体的导带底和价带顶都分别高于另外一种半导体的导带底和价带顶，这样导带电子会集中于能带边较低的半导体中，而空穴将集中于能带边较高的半导体中，使得电子和空穴在空间中是分开的，并且分别处于两种半导体中，因此能够显著提升载流子的寿命；破隙型异质结，由于其中一种半导体的价带处在另外一种半导体的导带之上，前者半导体价带中有大量空穴，后者半导体导带中有大量电子，两者都表现出导电性，因此这类异质结表现出半金属的特性。
对于实现特定匹配类型石墨烯纳米带异质结理论研究，主要集中在两个方面：
(1)几何结构调谐；比如：将不同边缘的纳米带单元结合在一起形成金属和半导体接触异质结，或者是将不同宽度扶手椅状边缘石墨烯纳米带(扶手椅状边缘的纳米带按照宽度可以分为三个系列，3p，3p+1，3p+2(p<＝6)，其带隙△3p+1>△3p>△3p+2)结合而形成第I类带阶匹配的异质结；
(2)通过掺杂和钝化形成异质结；比如：在石墨烯纳米带左侧用N原子掺杂，右侧用B原子掺杂形成第III类带阶异质结，或者左侧纳米带边缘用O原子钝化，右侧纳米带边缘用H原子钝化，形成金属和半导体接触；又或者通过不同边缘钝化而实现的自旋电子器件等。
现有技术中，宽度调制形成第I类带阶匹配的石墨烯纳米带异质结的实验合成已有所突破，其在理论和实验研究上达成了一致。当前，第I类带阶匹配的石墨烯纳米带异质结的研究相对较多，可用于制造分子整流器和分子转换器等电子器件。然而，针对合成第II类带阶匹配的石墨烯纳米带异质结的相关研究仍然空白。而第II类带阶匹配的异质结能够有效地促进光致电子和空穴的有效分离，使得光激载流子寿命延长，而且能够抑制界面电子和空穴的复合。因此，基于第II类带阶匹配的石墨烯纳米带异质结作为光电器件潜在的构成元件，对于光电器件的发展具有重要的现实意义。基于此，本发明考虑实现第II类带阶匹配的石墨烯纳米带异质结的合成。
发明内容
基于现有技术的需求，本发明提供一种形成石墨烯纳米带异质结的方法，通过一维纳米孔对石墨烯纳米带进行调谐，并且基于第一性原理进行仿真得到特定带阶匹配的纳米孔参数，再根据仿真结果在一维石墨烯纳米带上实现实际纳米孔的设计，从而可形成第I类和第II类带阶匹配的纳米孔石墨烯纳米带异质结。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案具体如下：
一种形成石墨烯纳米带异质结的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：仿真建立扶手椅状边缘的石墨烯纳米带单元，定义所述石墨烯纳米带单元的宽度为w，在垂直于石墨烯纳米带单元所在平面的方向以及沿着石墨烯纳米带单元锯齿状的方向形成真空层；
步骤2：在步骤1得到的石墨烯纳米带单元上构建一个纳米孔；
步骤3：获取具有纳米孔的石墨烯纳米带单元的导带和价带；
步骤4：重复进行步骤1至3，仿真建立宽度相同、纳米孔形状不同的石墨烯纳米带单元，并获取相应模型的导带和价带；
步骤5：判断仿真得到两个具有不同形状纳米孔的石墨烯纳米带单元的导带和价带是否为所需的第I类带阶匹配或第II类带阶匹配；若为是，则保存形成石墨烯纳米带异质结的石墨烯纳米带单元的宽度w′和两个纳米孔的结构参数，然后进行步骤6，若为否，则返回至步骤1至2，仿真建立宽度不同、纳米孔形状相同的石墨烯纳米带单元；
步骤6：选择宽度为w′的石墨烯纳米带，并按照步骤5确定的结构参数在所述石墨烯纳米带上制作纳米孔，至此实现所需的第I类带阶匹配或第II类带阶匹配的石墨烯纳米带异质结。
进一步地，所述步骤1中仿真建立扶手椅状边缘的石墨烯纳米带单元的具体操作为：基于石墨烯单胞建立一个N×N的超胞，按照(1,1,0)的方向切割石墨烯，形成扶手椅状边缘的石墨烯纳米带。
进一步地，所述步骤1和2中石墨烯纳米带单元包括纳米孔在仿真时都采用氢原子进行钝化，以贴近实际情况。
进一步地，所述步骤3中获取导带和价带是基于第一性原理计算方法，其具体操作为：计算具有纳米孔的石墨烯纳米带单元的真空能级和能带图，然后将能带图基于真空能级为0进行校准，从而得到石墨烯纳米带单元的导带和价带。
进一步地，所述步骤5中制作纳米孔的方式包括高能聚焦电子束或者离子束刻蚀。
进一步地，所述扶手椅状边缘的石墨烯纳米带单元以及纳米孔结构需要进行结构优化。
进一步地，每一个石墨烯纳米带单元上形成的是单个的、完整的纳米孔，即所述石墨烯纳米带单元的宽度要能够放下预设的纳米孔。
具体地，判断是否为第I类带阶匹配或第II类带阶匹配时的两个石墨烯纳米带单元的宽度相同。
相比现有技术，本发明的有益效果如下：
本发明采用一维纳米孔对石墨烯纳米带进行调谐，由于一维石墨烯纳米带的尺寸效应影响和石墨烯纳米带上不同形状纳米孔所引入的缺陷态不同导致能带结构发生变化，使得石墨烯纳米带的电子特性得到调谐；进一步地，本发明基于第一性原理计算方法，对具有不同形状纳米孔调谐后石墨烯纳米带单元的电子特性和带阶匹配进行仿真，通过仿真得到形成第I类带阶匹配或第II类带阶匹配异质结的纳米孔，指导实际石墨烯纳米带上纳米孔设计，从而用于第I类和第II类的带阶匹配的石墨烯纳米带异质结的制作。基于I型带阶匹配构造的石墨烯异质结，可用于制造分子整流器和分子转换器等电子器件；基于II型带阶匹配构造的石墨烯异质结是潜在的光电器件的构成元件。可见，本发明所提出的通过纳米孔调制方式制备特定带阶匹配类型异质结的方法能够满足石墨烯纳米器件的多种设计要求，适用于不同纳米器件的设计，为石墨烯电子和光电器件的设计奠定了基础。
附图说明
图1是三种不同类型异质结的能带示意图。
图2是石墨烯纳米带宽度为14个原子宽度时圆形纳米孔半径为2和方形纳米孔长宽分别为2和3的模型图及其II型带阶匹配图。
图3是石墨烯纳米带宽度为14个原子宽度时方形纳米孔长宽均为4和倾斜45度的方形纳米孔长宽分别为6和1的模型图及其II型带阶匹配图。
图4是石墨烯纳米带宽度为14个原子宽度时一个方形纳米孔长宽均为4和另一个方形纳米孔长和宽分别为2和4的模型图及其II型带阶匹配图。
图5是石墨烯纳米带宽度为14个原子的宽度时圆形纳米孔半径为2和方形纳米孔长宽均为4的模型图及其I型带阶匹配图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例对本发明技术方案进行详细说明：
本实施例基于Device Studio和VASP软件进行模型的构建以及导带和价带的获取。
实施例1：
步骤1：基于石墨烯单胞建立一个4×4的超胞，按照(1,1,0)的方向切割石墨烯，形成扶手椅状边缘的石墨烯纳米带，再沿着锯齿状的方向和垂直于石墨烯平面构造10埃的真空层，将纳米带的宽度扩展为13个原子的宽度(即沿着扶手椅边缘方向的石墨烯纳米带有13个原子的宽度)，并将纳米带居中；
步骤2：基于步骤1构建的石墨烯纳米带模型，在石墨烯纳米带上构造一个形状为圆形半径为2(即圆形纳米孔的半径为普通六角单纳米孔半径的两倍)，如图2所示；
步骤3：计算具有圆形:纳米孔的石墨烯纳米带单元的真空能级和能带图；将能带图基于真空能级为0进行校准，获取导带和价带；
步骤4：重复步骤1至3构建具有一个长宽分别为2和3(即纳米孔所在位置沿着扶手椅方向缺失2条石墨烯链，沿着锯齿状方向缺失3个dimer宽度的石墨烯)的方形纳米孔且具有同等宽度的石墨烯纳米带单元，如图2所示；
步骤5：比对分别具有圆形和方形纳米孔的两个石墨烯纳米带单元的导带和价带是否为第I类带阶匹配或者第II类带阶匹配；
步骤6：返回至步骤1并重复步骤1至3，构建得到纳米孔形状相同而纳米带宽度不同的石墨烯纳米带单元，并计算不同宽度石墨烯纳米带在相同纳米孔形状下的带阶匹配，最终得到在石墨烯纳米带宽度为14(即即沿着扶手椅边缘方向的石墨烯纳米带有14个原子的宽度)形成圆形和方形的纳米孔即能构成第II类带阶匹配的石墨烯纳米带异质结；确定了II型纳米带异质结的宽度以及纳米孔的形状，通过高能聚焦电子束或者离子束刻蚀的方法，在宽度为14的纳米带上形成相对应的纳米孔，即形成第II类带阶匹配的石墨烯纳米带异质结。
实施例2：
步骤1：基于石墨烯单胞建立一个4×4的超胞，按照(1,1,0)的方向切割石墨烯，形成扶手椅状边缘的石墨烯纳米带，再沿着锯齿状的方向和垂直于石墨烯平面构造10埃的真空层，将纳米带的宽度扩展为13，并将纳米带居中；
步骤2：基于步骤1构建的石墨烯纳米带模型，在石墨烯纳米带上构造一个长宽均为4的方形纳米孔，如图3所示；
步骤3：计算具有一个方形纳米孔的石墨烯纳米带单元的真空能级和能带图；将能带图基于真空能级为0进行校准，获取导带和价带；
步骤4：重复步骤1至3构建具有一个长宽分别为6和1的方形纳米孔且具有同等宽度的石墨烯纳米带单元；所述方形纳米孔相对边界以纳米孔中心顺时针旋转45度(简称为倾斜45度)，如图3所示；
步骤5：比对分别具有不同方形纳米孔的两个石墨烯纳米带单元的导带和价带是否为第I类带阶匹配或者第II类带阶匹配；
步骤6：返回至步骤1并重复步骤1至3，构建得到纳米孔形状相同而纳米带宽度不同的石墨烯纳米带单元，并计算不同宽度石墨烯纳米带在相同纳米孔形状下的带阶匹配，最终得到在石墨烯纳米带宽度为14形成方形和倾斜45度方形纳米孔即能构成第II类带阶匹配的石墨烯纳米带异质结；确定了II型纳米带异质结的宽度以及纳米孔的形状，通过高能聚焦电子束或者离子束刻蚀的方法，在宽度为14的纳米带上形成相对应的纳米孔，即形成第II类带阶匹配的石墨烯纳米带异质结。
实施例3：
步骤1：基于石墨烯单胞建立一个4×4的超胞，按照(1,1,0)的方向切割石墨烯，形成扶手椅状边缘的石墨烯纳米带，再沿着锯齿状的方向和垂直于石墨烯平面构造10埃的真空层，将纳米带的宽度扩展为13，并将纳米带居中；
步骤2：基于步骤1构建的石墨烯纳米带模型，在石墨烯纳米带上构造一个长宽均为4方形纳米孔，如图4所示；
步骤3：计算具有方形:纳米孔的石墨烯纳米带单元的真空能级和能带图；将能带图基于真空能级为0进行校准，获取导带和价带；
步骤4：重复步骤1至3构建具有一个偏向一侧长宽分别为2和4的方形纳米孔且具有同等宽度的石墨烯纳米带单元，如图4所示；
步骤5：比对分别具有不同方形纳米孔的两个石墨烯纳米带单元的导带和价带是否为第I类带阶匹配或者第II类带阶匹配；
步骤6：返回至步骤1并重复步骤1至3，构建得到纳米孔形状相同而纳米带宽度不同的石墨烯纳米带单元，并计算不同宽度石墨烯纳米带在相同纳米孔形状下的带阶匹配，最终得到在石墨烯纳米带宽度为14形成不同形状方形的纳米孔即能构成第II类带阶匹配的石墨烯纳米带异质结；确定了II型纳米带异质结的宽度以及纳米孔的形状，通过高能聚焦电子束或者离子束刻蚀的方法，在宽度为14的纳米带上形成相对应的纳米孔，即形成第II类带阶匹配的石墨烯纳米带异质结。
实施例4：
步骤1：基于石墨烯单胞建立一个4×4的超胞，按照(1,1,0)的方向切割石墨烯，形成扶手椅状边缘的石墨烯纳米带，再沿着锯齿状的方向和垂直于石墨烯平面构造10埃的真空层，将其扩展为宽度为14的纳米带，并将纳米带居中；
步骤2：基于步骤1构建的石墨烯纳米带模型，在石墨烯纳米带上构造一个圆形半径为2的纳米孔，如图5所示；
步骤3：计算具有圆形:纳米孔的石墨烯纳米带单元的真空能级和能带图；将能带图基于真空能级为0进行校准，获取导带和价带；
步骤4：重复步骤1至3构建具有一个长宽均为4方形纳米孔且具有同等宽度的石墨烯纳米带单元，如图5所示；
步骤5：经比对分别具有圆形和方形纳米孔的两个石墨烯纳米带单元的导带和价带，发现是第I类带阶匹配的异质结；确定了I型纳米带异质结的宽度以及纳米孔的形状，通过高能聚焦电子束或者离子束刻蚀的方法，在宽度为14的纳米带上形成相对应的纳米孔，即形成第I类带阶匹配的石墨烯纳米带异质结。
以上结合附图对本发明的实施例进行了详细阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护。
Claims (5)
1.一种形成石墨烯纳米带异质结的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：仿真建立扶手椅状边缘的石墨烯纳米带单元，定义所述石墨烯纳米带单元的宽度为w，在垂直于石墨烯纳米带单元所在平面的方向以及沿着石墨烯纳米带单元锯齿状的方向形成真空层；
步骤2：在步骤1得到的石墨烯纳米带单元上构建一个纳米孔；
步骤3：获取具有纳米孔的石墨烯纳米带单元的导带和价带；
步骤4：重复进行步骤1至3，仿真建立宽度相同、纳米孔形状不同的石墨烯纳米带单元，并获取相应模型的导带和价带；
步骤5：判断仿真得到两个具有不同形状纳米孔的石墨烯纳米带单元的导带和价带是否为所需的第I类带阶匹配或第II类带阶匹配；若为是，则保存形成石墨烯纳米带异质结的石墨烯纳米带单元的宽度w′和两个纳米孔的结构参数，然后进行步骤6，若为否，则返回至步骤1至2，仿真建立宽度不同、纳米孔形状相同的石墨烯纳米带单元；
步骤6：选择宽度为w′的石墨烯纳米带，并按照步骤5确定的结构参数在所述石墨烯纳米带上制作纳米孔，至此实现所需的第I类带阶匹配或第II类带阶匹配的石墨烯纳米带异质结。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1中仿真建立扶手椅状边缘的石墨烯纳米带单元的具体操作为：基于石墨烯单胞建立一个N×N的超胞，按照(1,1,0)的方向切割石墨烯，形成扶手椅状边缘的石墨烯纳米带。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤1和2中石墨烯纳米带单元包括纳米孔在仿真时都采用氢原子进行钝化。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中获取具有纳米孔的石墨烯纳米带单元的导带和价带具体操作为：计算具有纳米孔的石墨烯纳米带单元的真空能级和能带图，然后将能带图基于真空能级为0进行校准，从而得到石墨烯纳米带单元的导带和价带。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5中制作纳米孔的方式包括高能聚焦电子束或者离子束刻蚀。
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