第一性原理计算石墨烯综述
石墨烯吸附甲烷的第一性原理研究
关 键 词 ： 墨 烯 结合 能 电 子 态 密度 （ Ｏ ） 第 一性 石 Ｄ Ｓ
原 理
自２ｏ 年 成 功 制 备 二 维 石 墨 烯 片 以 后 … ， 优 越 的 电 ０４ 其 学 性 质 引 起 了 人 们 对 它 的 广 泛 研 究 。石 墨 烯 片 是 指 单 层 碳 原 子 密 堆 排 列 成 的 二 维 正 六 边 形 蜂 窝 状 点 阵 材 料 。 其 性 能 有 ： １ 石 墨 烯 是 迄 今 为 止 世 界 上 强 度 最 大 的 材 料 ， 测 （） 据 算 如 果 用 石 墨 烯 制 成 厚 度 相 当 于 普 通 食 品 塑 料 包 装 袋 厚 度 的 薄 膜 ． 么 它 将 能 承 受 大 约 两 吨 重 物 品 的 压 力 ， 不 至 于 那 而 断 裂 ；２ 石 墨 烯 是 世 界 上 导 电 性 最 好 的 材 料 ， 子 在 其 中 （） 电 的 运 动 速 度 达 到 了 光 速 的 １３ ０ 远 远 超 过 了 电子 在 一 般 导 ／０ ． 体 中 的 运 动 速 度 。 根 据 石 墨 烯 超 薄 ， 度 超 大 的特 性 ， 墨 强 石 烯 可 被 广 泛 应 用 于 各 领 域 ， 如 超 轻 防 弹 衣 ， 薄 超 轻 型 飞 比 超 机 材 料 等 。根 据 其 优 异 的 导 电性 ， 它 在 微 电子 领 域 也 具 使 有 巨大 的 应 用 潜 力 。 墨 烯 有 可 能 会 成 为 硅 的 替 代 品 ， 造 石 制 超 微 型 晶 体 管 ， 来 生 产 未 来 的 超 级 计 算 机 。 元 素 更 高 的 用 碳 电 子 迁 移 率 可 以 使 未 来 的 计 算 机 获 得 更 高 的 速 度 。 另 外 石 墨 烯 材 料 还 是 一 种 优 良 的 改 性 剂 ．在 新 能 源 领 域 如 超 级 电
单双层结构的石墨烯纳米带边界态的第一原理研究
Ｏ 引 言
近年来 ， 单层 和 双层数 的石 墨烯 （ ｒｐ ｅ ｅ 晶体成 为凝 聚 态物 理 学 界 的热 点研 究 问题 。实 验 和理 论 的 Ｇ ａｈ ｎ ） 研究进 展表 明 ， 由于特 殊 的相 对论 性 的低能 能谱结 构 ， 墨烯 可呈 现 出一系列 奇异 的物 理性 质 ¨－Ｊ 石 ３。从 应用 角度来 看 ， 层石 墨烯 是具有 非 常高 的迁移率 （ 单 一５ ０ ｃ ２ ０ ０ ｍ Ｖ～ｓ ） 的零 能 隙半 导体 ， 微 电子学 和 自旋 电 在 子学方 面都 展现 出诱人 的应 用前 景 。为此 ， 们非 常希 望 实现 用 电场 和结 构 来 调控 系 统 的 电子 结 构 。在这 人 方 面 ， 去几 年 间已经取 得 一系列 的进展 。比如 ， 们 已经在 实验上 成功 地用 门 电压来控 制单 层石 墨烯 系统 过 人
是一 边 Ｍ．Ｇ Ｒ， Ｚ Ｎ 另一 边 Ｂ Ｚ Ｎ 双层 区域 有不 同边 界型 式 ， — Ｇ Ｒ， 即 型 （ ２ ａ ） 』 （ ２ ｂ ） 图 （ ） 和 Ｂ型 图 （ ） 。在 计算 中 ， 们采 用投 影缀加 平 面波基 组 （ Ａ 我 Ｐ Ｗ） 同时 电子 关联 势 选 用局 域 密 度 近似 （ Ｄ 对结 构 进 行 优化 并 计 ， Ｌ Ａ）
原 子构成 无 限长 的锯齿 状 （ ｉ ａ ） Ｚｇ ｇ 的链 ， Ｇ Ｒ 的宽度 即锯齿 链 的数 目。进 一 步 ， ｅｎｌ 叠 的双 层锯 齿 型 ｚ ＺＮ Ｂ ｒａ 堆 石 墨烯带 （ －Ｇ Ｒ） 有 ａ型边界 和 型边界 两 种几 何 结构 ¨ ＢＺ Ｎ 具 引。单 双 层 锯齿 型 石 墨烯 纳 米带 （ ．Ｇ Ｒ） ＭＢＺ Ｎ
石墨烯吸附有机分子硝基苯性质的第一性原理研究_赵银昌
2. 2 硝基苯吸附石墨烯体系的构型选取及依据
通过上面的计算可以确定硝基的电负性强于苯
基． 硝基苯分子吸附在单层石墨片上时，苯基应更靠
近石墨烯． 所以对于吸附分子平面垂直石墨烯的情
况，我们只考虑硝基靠近石墨烯苯基远离石墨烯的
构型，如图 2（ a） ，（ c） 所示． 对于吸附分子平行石墨
烯的情况，通过弛豫得之 T（ Top） 位置最稳定，如图
1 计算方法
本文所有计算使用的是基于量子力学第一性原 理密度泛函理论［5 － 6］ 的 VASP［7］ 软 件 包 来 实 现 的． 对硝基苯分子内电荷转移和石墨烯吸附硝基苯分子 时电荷转移使用了实空间的差分电荷分析． 文章中
计算采 用 了 超 软 赝 势 （ US － PP ） ［8］ 和 局 域 密 度 （ LDA） 交换关联近似． 由于所研究体系都是满壳层 的没有考虑自旋极化． 计算中取真空层的距离为 2. 2 nm，这足以消除层间相互作用． 截断能 500 eV， 总能收敛标准取相邻两电子步间能量差小于 1. 0 × 10 － 4 eV，结构优化标准取原子所受力小于 0. 3 eV / nm 时离子步循环停止． 分别用 （ 3 × 3） 和（ 5 × 5） 的 石墨烯超级原胞模拟有机分子高密度吸附和低密度 吸附． 对高密度吸附和低密度吸附分别采用了 Γ 机 制的（ 12 × 12 × 1） 和（ 6 × 6 × 1） 的特殊 K 点． 原子位 置优化方法用共轭梯度法，电子占据用 0.
烟台大学学报（ 自然科学与工程版）
第 26 卷
这解释 了 硝 基 苯 垂 直 吸 附 在 石 墨 烯 衬 底 上 出 现 0. 09% 的晶格缩减的原因． 同时，我们计算得出电荷 转移导致的偶极变化量是 － 0. 10 Debye，和硝基苯 3. 14 Debye 的相对偶极性相比此值可以忽略，所以 垂直吸附作用基本不改变分子的固有极性． 而硝基 苯分子平行石墨烯吸附的时候，没有可见的电荷转 移，吸附分子和衬底之间主要是范德瓦尔斯作用． 由 于吸附分子和石墨烯之间的平均距离和垂直吸附情 况相比小的多，此范德瓦尔斯作用较强致使出现大 的分子吸 附 能，正 是 此 作 用 导 致 石 墨 烯 晶 格 膨 胀 0. 13% ，这和文献［9］中所述的不同． 文献［9］中认
碳纳米管／石墨烯复合结构的第-性原理计算
２ 三峡大学理学 院， ． 湖北 宜昌 ４ ３ ０ ４０２
摘 要 ： 为了研究碳纳米管／ 石墨烯复合结构的电学性质 ， 采用密度泛 函理论 （ Ｆ ） Ｄ Ｔ 下的第一性原理， 对四种 Ｔ型复合结构
进 行 了几何结构优化 ， 分析 了该复合结构 的结合 能 ， 能带结 构 ， 电子态 密度 ， ｕｌ ｅ Ｍ ｌｋｎ电荷分布及 功 函数 。结 果表 明复合结构 ｉ 均表现 出半导体性质 ， 其稳定性及 电子结构取决 于碳 纳米管类型和复合结构 的连接方式 。 而且复合 材料 的功 函数 要低于碳纳 米管， 在场 发射 方面具有潜在的应用价值 。
Ｔ－ ｐ ｔ ｃ ｕ ｅ ｗａ ｏ ｔ ｚ ｄ ｈ ｏ ｇ ｆ ｓ— ｒ ｃｐ ｅ ＤＦ ・ Ａ ｍｅ ｈ ｄ ．Ｅ ｅ ｇ ｂ ｎ ｓ ｃｕ ｅ ，ｂ ｎ ｉ ｇ ｔ ｅ ｓｒ ｔ ｒ ｓ ｙ ｕ ｓ ｐ ｉ ｅ ｔ ｒ ｕ ｈ ｉ ｔ ｉ ｉ ｌｓ ｍｉ ｒ ｐ ｎ ｒ ＧＧ ｔ ｏ ｓ ｎ ｒｙ ａ ｄ ｔ ｔ ｒ ｓ ｉ ｄ ｎ ｕ ｒ
第３ ４卷 第 ６期
２１ ０ １年 １ 月 ２
电 子 器 件
Ｃ ｉｅ ｅＪ ｕ ｎ ｌｏ ｌｃｒｎ Ｄｅ ｉｅ ｈｎ ｓ ｏ ｒａ ｆ ｅ ｔ ｖｃ ｓ Ｅ ｏ
Ｖｏ ． ４ Ｎｏ ６ １３ ． Ｄｅ ． ０ｌ ｃ２ １
Ｆｉｓ － ｉ ｃｐ ｅ ｌ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｒ ｏ ｎ ｔ ｂ ／Ｇ ｒ ｐ ｅ ｅ Ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ｒ ｔ Ｐｒ ｎ ｉ ｌ ｓ Ｃａ ｃ ｌ ｔｏ ｆ Ｃａ ｂ ｎ Ｎａ ｏ ｕ ｅ ａ ｈ ｎ ｔｕ ｔ ｒ ｓ
ｒｌ ｉ ｔ ｉｔ ｓａ ｄ ｅ ｃ ｏ ｉ ｓ ｃ ｒｓ ｄｐ ｎ ｎ ｔｅ ｔｐ ｆｃｒｏ ａｏｕ ｅ ｎ ｏｎ ｔ ｅ ｏ ａｂ ｎ ｅａ ｖ ｓ ｂｌｉ ｎ ｌ ｔ ｎｃ ｔ ｔ ｅ ｅｅ ｄ ｏ ｈ ｙ ｅ ｏ ａｂｎ ｎｎ ｔｂｓ ａ ｄ ｊｉｔ ｙ ｆｃｒｏ ｔ ｅ ａ ｉｅ ｅｒ ｒ ｕ ｕ ｐ
石墨烯量子点的制备
石墨烯量子点的制备石墨烯量子点的制备方法主要分为物理法和化学法两种。
物理法是通过物理手段如机械剥离、离子注入等制备石墨烯量子点。
化学法则是以石墨烯为原料，通过化学反应将石墨烯切割成量子点。
在物理法制备石墨烯量子点方面，机械剥离法是最常用的方法之一。
该方法是将石墨烯片材粘贴在聚合物薄膜上，然后将其浸泡在溶液中，通过反复剥离和清洗，最终得到分散的石墨烯量子点。
但是，机械剥离法的产量较低，不适应大规模生产。
化学法制备石墨烯量子点主要包括两种方法：有机合成法和无机合成法。
有机合成法是以有机物为原料，通过加热、加压等手段合成石墨烯量子点。
而无机合成法则是以无机物为原料，通过高温、高压等手段制备石墨烯量子点。
在实验过程中，我们发现石墨烯量子点的生长机制主要是基于分子扩散和表面能原理。
在制备过程中，石墨烯量子点的结构特点受到制备温度、反应时间等因素的影响。
同时，石墨烯量子点的性质也与它的尺寸密切相关。
通过对实验结果的分析，我们发现制备石墨烯量子点的关键在于控制制备温度和反应时间，以获得尺寸均一、分散性好的量子点。
此外，石墨烯量子点的应用研究也正在广泛开展，例如在太阳能电池、生物医学成像和传感器等领域的应用。
总之，石墨烯量子点的制备方法及其研究进展在能源、生物医学、传感器等领域具有广泛的应用前景。
未来，我们需要进一步探索制备高质量石墨烯量子点的优化工艺，为实现其在实际应用中的广泛应用奠定基础。
针对石墨烯量子点的性质和功能展开深入研究，以便更好地发掘和发挥其潜力，促进相关领域的发展和创新。
关键词：石墨烯量子点，制备，传感，成像摘要：石墨烯量子点是一种新型的材料，具有优异的物理化学性能，在传感和成像领域具有广泛的应用前景。
本文主要介绍了石墨烯量子点的制备方法以及在传感和成像领域的应用研究进展。
引言：石墨烯量子点是一种由单层碳原子组成的零维材料，具有优异的电学、光学和化学性能，在光电子、能源、生物医学等领域备受。
近年来，石墨烯量子点在传感和成像领域的应用研究取得了一系列重要的进展，成为了一种新型的纳米生物传感器和成像剂。
石墨烯的研究与应用综述、产业现状
石墨烯的研究与应用综述一、石墨烯的结构与特性石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是最薄的二维材料，单层的厚度仅0.335nm。
石墨烯可塑性极大，是构建其他维数碳材料的基本单元，可以包裹成零维的富勒烯结构，卷曲成一维的碳纳米管，以及堆垛成三维的石墨等。
石墨烯的理论研究已有60多年的历史，但直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，利用胶带剥离高定向石墨的方法获得真正能够独立存在的二维石墨烯晶体，二人因此荣获2010年诺贝尔物理学奖。
石墨烯具有一些奇特的物理特性：导电性极强：石墨烯中的电子没有质量，电子的运动速度能够达到光速的1/300，是世界上电阻率最小的材料。
良好的导热性：石墨烯的导热性能优于碳纳米管和金刚石，单层石墨烯的导热系数可达5300瓦/米水度，远高于金属中导热系数高的银、铜等。
极好的透光性：石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，并使所有光谱的光均匀地通过。
超高强度：石墨烯被证明是当代最牢固的材料，硬度比莫氏硬度10级的金刚石还高，却又拥有很好的韧性，可以弯曲。
超大比表面积：石墨烯拥有超大的比表面积(单位质量物料所具有的总面积)，这使得石墨烯成为潜力巨大的储能材料。
石墨烯特殊的结构形态，具备目前世界上最硬、最薄的特征，同时具有很强的韧性、导电性和导热性，这些极端特性使其拥有巨大发展空间，应用于电子、航天、光学、储能、生物医药、日常生活等大量领域。
二、石墨烯的制备方法石墨烯的制备方法主要有机械法和化学法2种。
机械法包括微机械分离法、取向附生法和加热碳化硅法；化学法包括外延生长法、化学气相沉积法与氧化石墨还原法。
微机械分离法是直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来，可获得高品质石墨烯，且成本低，但缺点是石墨烯薄片尺寸不易控制，不适合量产；取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯，石墨烯性能令人满意，但往往厚度不均匀；加热碳化硅法能可控地制备出单层或多层石墨烯，是一种新颖、对实现石墨烯的实际应用非常重要的制备方法，但制备大面积具有单一厚度的石墨烯比较困难。
石墨烯论文总结范文
摘要：石墨烯作为一种新型二维材料，具有独特的物理化学性质，在众多领域展现出巨大的应用潜力。
本文对石墨烯的制备方法、特性、应用领域进行了综述，旨在为石墨烯材料的研究提供参考。
一、引言石墨烯是一种由单层碳原子构成的二维晶体，具有优异的力学、电学、热学和光学性能。
自2004年石墨烯被发现以来，其研究取得了显著的进展。
本文对石墨烯的制备方法、特性、应用领域进行综述，以期为石墨烯材料的研究提供参考。
二、石墨烯的制备方法1. 机械剥离法：机械剥离法是制备石墨烯的一种简单、高效的方法。
通过将石墨片在金刚石针尖下进行机械剥离，可以得到单层石墨烯。
2. 化学气相沉积法：化学气相沉积法是一种制备高质量石墨烯的方法。
该方法在高温下将碳源气体在金属催化剂上分解，形成石墨烯。
3. 水热法：水热法是一种制备石墨烯的新技术。
通过将石墨烯前驱体在高温高压下进行反应，可以得到高质量的石墨烯。
4. 微机械剥离法：微机械剥离法是一种基于微机械加工技术制备石墨烯的方法。
通过在石墨烯上施加应力，使其发生剥离，从而获得单层石墨烯。
三、石墨烯的特性1. 优异的力学性能：石墨烯具有极高的强度和韧性，是已知材料中最强的二维材料。
2. 良好的电学性能：石墨烯具有优异的电导率，是已知材料中最高的二维材料。
3. 热学性能：石墨烯具有优异的热导率，可以有效传递热量。
4. 光学性能：石墨烯具有优异的光吸收和光催化性能。
四、石墨烯的应用领域1. 电子器件：石墨烯具有优异的电学性能，可以应用于制备高性能电子器件，如场效应晶体管、晶体管等。
2. 能源存储与转换：石墨烯具有良好的电化学性能，可以应用于锂离子电池、超级电容器等能源存储与转换领域。
3. 光学器件：石墨烯具有优异的光学性能，可以应用于制备高性能光学器件，如光子晶体、光学传感器等。
4. 生物医学领域：石墨烯具有良好的生物相容性，可以应用于生物医学领域，如药物载体、生物传感器等。
五、结论石墨烯作为一种新型二维材料，具有独特的物理化学性质，在众多领域展现出巨大的应用潜力。
第一性原理计算石墨烯综述
第一性原理计算石墨烯综述第一性原理计算综述引言理论计算模拟是除了实验方法外的另一种更好的探究和理解微观物质的内在机理和运动规律手段，对实验的相关结果也起重要的参考和补充作用。
对于纳米尺度上的理论研究，基于密度泛函理论的第一性原理计算是最为常见的方法之一。
第一性原理计算方法中不使用经验参数，只使用光速，电子质量，质子和中子的质量等少数物理参数，通过自洽迭代方法求解薛定谔方程来预测纳米材料的有关结构和特性。
第一性原理方法可以从电子轨道层面准确地模拟和预测材料特性。
同时，结合基于密度泛函理论的分子动力学模拟方法，基本上可以准确地判断和预测材料的结构特性。
这一过程只需要一个基于若干计算机的工作机群内，对大投资的传统实验开发是一个巨大的冲击。
虽然目前第一性原理计算方法的结果与完全精确地物性模拟还有一段距离，但是通过各种理论的修正，可以在一定程度上减小计算误差，提高预测的准确性，这也是目前第一性原理计算所采用的主要处理手段。
可以想象，随着第一性原理计算体系的逐渐完善，它必将作为一个不可缺少的科研工具，在纳米器件的工作平台上作为交互前端出现，承担大部分的设计与预测工作。
理论基础第一性原理计算资源TD-DFT应用实例Hubbard模型和VASP应用实例Hubbard模型是考虑固体中电子短程库仑排斥力的一种非常简化的模型。
这个简化的模型考虑了固体中运动电子量子机理，和电子间的非线性排斥作用。
Hubbard模型在物理的理论研究方面还是一个非常重要的模型。
尽管模型中物理表示非常简化，但却能反映出各种有趣的现象，如金属．绝缘体的相互转变，反铁磁体系，铁磁体系，流体和超导体。
本文中我们利用在紧束缚近似下的Hubbard 模型验证了第一性原理的结果。
计算所采用的软件是VASP，，它使用赝势和平面波基组来进行从头算量子力学分子动力学计算。
离子和电子的相互作用用投影缀加波(PAW)方法来描述。
电子的交换关联采用GGA-PW91泛函。
赝势对计算石墨烯声子谱线的第一性原理研究
赝势对计算石墨烯声子谱线的第一性原理研究郭富强;王艳丽;尹国盛【摘要】石墨烯是理论与实验方面研究的热点,而探究其声子谱线结构又为研究力学、热力学等提供基础.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理,运用不同的交换关联和赝势方法,计算了石墨烯以及石墨的声子谱线.对比研究发现:在声子谱低频率阶段,不同的赝势计算的结果差别很小;而在声子谱的高频率阶段,不同赝势计算的结果差别显著.相对于GGA交换关联,LDA交换关联计算的高频光学支有所软化,计算结果与实验值更加接近.相对于US赝势方法,PAW赝势方法计算的结果与实验值更加接近.综合比较,PAW-LDA赝势的计算结果与实验值最为接近.【期刊名称】《物理与工程》【年(卷),期】2016(026)005【总页数】5页(P66-70)【关键词】声子谱;石墨烯;赝势【作者】郭富强;王艳丽;尹国盛【作者单位】郑州工业应用技术学院,河南郑州 451151;河南建筑职业技术学院,河南郑州 450007;郑州工业应用技术学院,河南郑州 451151【正文语种】中文碳原子不同的排列能形成金刚石、石墨、C60以及碳纳米管等不同的晶体结构，从而体现出不同的物理、化学性质.近来人们通过物理及化学的方法从石墨中分离出了单层的石墨片，称之为石墨烯.由于石墨烯具有非常优良的力学、热学、电学等特性，使得它从一出现就在理论与实验方面成了研究的热点，并取得了丰硕的成果.在实验方面，人们已经能够通过不同的方法制取石墨烯，这使其在生产生活中的应用成为了可能[1].声子谱线结构的研究是其他诸如力学、热力学性质研究的基础.因此研究石墨烯声子谱线结构对于石墨烯的应用具有非常重要的意义.实验方面对声子谱线的研究主要有下面几种方法：中子散射方法是经常使用的一种方法，但它不能得到高频支声子的频率[2，3]；高分辨率电子谱镜虽能得到高频声子支的频率，但其结果与理论计算相差很大[4]；拉曼谱方法虽很精确，但仅能对Γ点进行测量；非弹性X射线衍射方法仅在高频光学支的测量方面最为准确[5].由于以上方法各有缺陷，因此实验上仍需要综合以上几种方法对晶体声子谱线进行确定.理论计算方面，目前主要有力常量方法和第一性原理方法.力常量方法通过经验势函数，计算出原子之间的力矩阵，从力矩阵得出声子谱线.除了势函数的影响，力常量方法的计算精度还受所取原子作用力半径的影响 [6].相对而言，第一性原理的计算完全独立于经验参数，因此结果更值得信赖[7].但是第一性原理的计算精度受所选赝势的影响[8].基于此，本文比较全面地研究了赝势方法以及交换关联对于石墨烯以及石墨的声子谱线的影响.第一性原理对于声子结构的计算，主要采用冷冻声子方法(frozen-phonon)[9]和微扰密度泛函方法(Density Function Perturbation Theory，简称为DFPT方法)[10].冷冻声子方法是在严格分析晶体对称性的基础上引入一些微小的位移，这些位移使原子之间存在赫尔曼-费曼(Hellmann-Feynman)力，计算出原子间的赫尔曼-费曼力，进而通过动力学矩阵即可得到声子色散曲线.该方法的优点是，对于简单晶体结构计算简单准确，但是对于复杂结构，需要很大的超胞才能计算精确，因此对计算条件要求比较高.相对于直接方法，DFPT方法通过系统对外界能量的响应求解声子谱线，它克服了直接方法的缺点，能适用于复杂的体系.由于石墨以及石墨烯的结构比较简单，因此本文对于石墨及石墨烯声子谱线的计算选用了较为简单的冷冻声子方法，计算软件为vasp软件包和frophon软件.计算采用以密度泛函理论[11，12]平面波赝势法为基础的vasp软件包[13]，由于研究的是不同赝势的对比，我们选取了几种vasp中常用的交换关联和赝势方法.电子-电子之间的交换关联作用分别采用了广义梯度近似(GGA)和局域梯度近似(LDA)两种方法；离子实与价电子间的作用分别选取了缀加平面波方法(PAW)和超软赝势(USPP).计算出赝势方法和交换关联不同组合时的声子谱线，进而研究赝势对于石墨烯及石墨声子谱线的影响.对于不同的赝势，选用不同的截断能，其中GGA取为300eV，LDA取400eV.对石墨烯声子谱线的计算，超原包采用2×2×1，K点网格由Monkhost-Pack方法[14]产生.K点网格,采用(9×9×1)，单层石墨烯的真空层取为2nm.对于石墨声子谱线的计算，超胞为2×2×2，计算K点取为9×9×9.考虑到声子对力的依赖关系，计算选取了较高的收敛标准，为0.1eV/nm.石墨是层状晶体，其原子结构及布里渊区如图1所示.石墨层内为六角结构，层间为A-B-A堆栈.石墨烯是单层石墨构成的二维晶体，计算中一层石墨外加足够的真空层即可模拟石墨烯.石墨中碳原子为SP2杂化，层内原子间为共价键，所以层内碳原子作用较强.而层间碳原子之间为很弱的范德瓦尔斯力作用，因此石墨通常层间自然解理.对于第一性原理计算，现有的GGA以及LDA赝势均不能描述范德瓦尔斯力，所以第一性原理对于石墨层间性质的计算有很大的局限性.虽然如此，文献表明LDA赝势能够给出与实验较为一致的晶格常数及层间作用[16].我们运用不同的赝势方法得到的晶格常数如表1所示.由表1可以看出：对于层内晶格常数a，LDA赝势与实验一致，而GGA方法得到的结果较实验值大0.002nm；而对于层间参数c, LDA方法基本能够描述，仅仅较实验值大了0.002nm，但GGA赝势计算不到石墨间的层间距.对于赝势方法，US-LDA赝势计算的a值为2.44nm，而PAW-LDA赝势为0.245nm，实验值为0.244nm，因此从晶格优化的角度而言，US-LDA赝势是描述石墨晶体的最好的方法.本文的计算中，计算了所有4种赝势组合的石墨烯声子谱线，同时计算了LDA所对应的两种赝势组合的石墨的声子结构.首先研究一下石墨烯声子谱的特点，不同赝势的声子谱线如图2和图3所示.石墨烯原胞中含有两个原子，所以共有3支声学支(A)和3支光学支(O).在这6支声子支中，包括垂直于平面的模式(Z)以及平行于平面的模式.平行于平面模式又分成了纵模式(L)和横模式(T).为了直观表达，在图中对这些模式进行了标注.其中的高对称点的见图1的布里渊区图.由图2和图3可知，在布里渊区的高对称点，一些声子支是高度简并的.在布里渊区中心Γ点，TA和LA呈现出线性散射关系，而ZA模式呈现q2的散射关系，所以平行于平面以及垂直于平面的模式是不同的，这与别的文献研究结果一致,声子谱线的另外一个特点就是ZA与ZO在K点相交，LA与LO在K点也发生了相交[17].接下来对比几种赝势得到的声子谱线的差别.为了对比，将不同赝势方法与交换关联组合计算，得到4种组合赝势的声子谱线，按照赝势方法和交换关联分成了两组，第一组考虑赝势方法的不同造成的影响，如图2所示；第二组考虑芯电子之间交换关联的不同所造成的影响，如图3所示.首先考虑赝势方法对声子谱线的影响.由图2可知，价电子和离子实之间相互作用的不同对声子谱有一致的影响.无论对于LDA和GGA，在低频的声学支频带，两种方法得到的声子谱几乎完全重合，即在低频带，声子谱线对赝势方法的选择不敏感.但是可以明显看到，在高频带，无论对于LDA和GGA，相对于US赝势，PAW方法计算的结果总是有所软化，与实验值更接近.然后考虑赝势方法相同时，交换关联作用对声子谱线的影响.由图3可知，在低频带，不同交换关联作用得到的声子谱线几乎完全重合，即不同的交换关联对低频声子支影响不明显.但是在高频区域，不同交换关联作用得到的声子谱线分离开来，GGA方法得到的声子频率较小，LDA方法得出的频率比较大，即GGA软化了高频带的声子谱线.为了从量上区别出来,我们给出了几个高对称K点的声子频率值，如表2所示.在表2中列出了各种赝势计算的高对称点的声子谱线，同时列出了文献计算值以及各种实验测值.为了直观比较各种赝势方法得到的频率值的优越，我们做出了各种赝势下的计算与实验值之间的相对误差比值，其计算方法如公式(1)所示各种赝势计算的相对误差如图4所示，由图4可知，总体系上各种方法得到的结果与实验值的差别均不太大，在-4%～10%以内，与其他文献的计算结果也很吻合.从交换关联的角度考虑，US-GGA赝势产生的误差大于US-LDA，而PAW-GGA赝势的误差在某些点大于PAW-LDA，在其他点则小于PAW-LDA.总体上GGA要比LDA赝势误差大.从赝势方法的角度考虑，US-GGA的误差要大于PAW-GGA，而US-LDA的误差总体上小于PAW-LDA.总的比较，在所有方法中US-LDA赝势计算石墨烯声子谱最为准确.上面研究了赝势对于石墨烯声子谱线的影响，同时我们想把石墨烯的结果推广到石墨，研究赝势对于石墨声子谱线的影响.由前面的分析可以知道，由于GGA赝势不能正确计算范德瓦尔斯力作用，而石墨层间主要靠范德瓦尔斯力作用结合，因此该赝势不能用于块体石墨的计算.所以对于石墨烯的声子谱线的计算，仅考虑US-LDA和PAW-LDA两种赝势的情况.研究离子实与价电子之间的作用对石墨声子谱的影响，其结果如图5所示.由图5可见，石墨声子谱线较石墨烯声子谱线多A-Γ一段，这是由于考虑了石墨法向周期性的原因.其他各段，石墨与石墨烯的声子谱线结构几乎完全相同.这与别的计算值以及实验值相吻合[4,5].对于US-LDA与PAW-LDA两种赝势方法，对比石墨烯的结果，PAW-LDA方法计算在高频阶段要低于US-LDA方法，即 PAW-LDA方法在高频阶段也对声子有所软化，综合石墨烯的结果，可以知道US-LDA 与实验值也较为接近.这与石墨烯的研究相一致.基于密度泛函理论的第一性原理方法，应用不同赝势计算了石墨烯以及石墨的声子谱线，本文的计算结果与别的计算、理论以及实验比较吻合.对不同赝势计算结果的比较得出：对于低频声子支，赝势对声子谱影响不显著；在高频段, 对于相同的赝势方法，LDA交换关联较GGA交换关联计算的声子谱线更加精确；计算表明：在应用第一性原理方法计算石墨以及石墨烯声子谱线中，US-LDA赝势最为精确.【相关文献】[1] Geim A K. 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第一性原理在石墨烯的应用
第一性原理在石墨烯的应用介绍石墨烯是一种由碳原子构成的二维材料，具有许多独特的性质和潜在的应用。
为了进一步了解石墨烯的性质和探索其潜在的应用，科学家们使用第一性原理计算方法对其进行研究。
本文将介绍第一性原理在石墨烯中的应用，并探讨其对石墨烯研究和应用的影响。
什么是第一性原理计算方法？第一性原理计算方法是一种基于量子力学原理的计算方法，用于研究材料的性质和行为。
它基于薛定谔方程，通过求解系统的波函数来计算材料的电子结构和物理性质。
第一性原理计算方法不依赖于实验数据，只通过对材料原子和电子的基本物理原理进行计算，从理论层面上预测和解释材料的性质。
石墨烯的结构和性质石墨烯是一种具有二维晶体结构的材料，每个石墨烯层由碳原子组成，形成六边形的晶格结构。
石墨烯具有许多独特的性质，包括优异的电子传输性能，高载流子迁移率，高稳定性，以及优异的力学强度等。
这些性质使得石墨烯被广泛应用于电子器件、能源存储、传感器等领域。
第一性原理计算在石墨烯研究中的应用1. 电子结构计算第一性原理计算方法可以用于计算石墨烯的电子结构。
通过求解薛定谔方程，可以得到石墨烯中电子的能级分布、能带结构和导电性等信息。
这些计算结果可以帮助科学家们理解石墨烯的导电行为以及其它电子性质，为石墨烯的应用提供理论基础。
2. 力学性质计算除了电子结构，第一性原理计算方法还可以用于计算石墨烯的力学性质，如弹性常数、应力应变关系等。
这些计算结果可以帮助科学家们了解石墨烯的力学强度、柔韧性以及形变行为，为石墨烯的应用提供重要参考。
3. 缺陷和杂质石墨烯中可能存在缺陷和杂质，这些缺陷和杂质对石墨烯的性质和应用有着重要的影响。
第一性原理计算方法可以帮助科学家们研究石墨烯中的缺陷和杂质，并预测它们对石墨烯性质的影响。
这些计算结果可以指导石墨烯的制备和应用，以提高石墨烯的性能和稳定性。
4. 势垒高度和电子传输石墨烯中的势垒高度和电子传输是石墨烯中重要的性质，可以影响电子器件的性能。
二维纳米材料-石墨烯.综述
1、发现之路
“二维结构”从想象到现实
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化连接形成的单原子层二维晶体，其厚 度为0.335nm，碳原子规整的排列于蜂窝状点阵结构单元之中。电子显微 镜下观测的石墨烯片，其碳原子间距仅0.142nm。
1、发现之路
Mather of all graphitic forms
Carbon Graphite C60 nanotube 石墨烯可看作是其他维数碳质材料的基本构建模块，它可以被包成 零维的富勒烯，卷成一维的碳纳米管或堆叠成三维的石墨。
(2)单层石墨烯的导热率与片层宽度、缺陷密度和边缘粗糙度密切相 关；
(3) 石墨稀片层沿平面方向导热具有各向异性的特点； (4) 在室温以上，导热率随着温度的增加而逐渐减小。 (5)随着层数增多，热导率逐渐降低，当层数达到 5-8层以上，减小到 石墨的热导率值（理论2200W/mK，正常1000W/mK左右）
完美的二维晶体结构 无法在 非绝对零度稳定存在
1966年,大卫· 莫明(David Mermin)和 赫伯特· 瓦格纳(Herbert Wagner)提出 Mermin-Wagner理论,指出表面起伏会 破坏二维晶体的长程有序。
1、发现之路
实验物理学家及材料学家与理论物理学家不同, 他们不喜欢被理论所束缚。
石墨烯三维能带结构图
双极性场效应
2、特性
电学特性
以单层石墨烯为例，其电子等载流子的有效质量*为零，而且可在室温下 显示出量子霍尔效应*。还会发生电阻值固定不会随距离变化的“无散射 传输”*现象。
*有效质量：指连接运动量与能量的方程式2阶微分时的系数。有效质量为零时， 载流子就会像“光”一样快速运动。同时有利于提高施加电压时的响应速度。而 相对于磁场的“回旋（Cyclotron)重量”则不会为零。 *量子霍尔效应：对电子二维分布的层（二维电子系统）施加强磁场时，电子轨道 及能量水平所取的值不相关（量子化）的现象。一般只能在极低温度环境下观测 到这种现象。常被用作半导体品质较高的证据。 *无散射传输：又称弹道传输（ballistic transport）。会在材料中的载流子平均自 由行程长度大于材料的尺寸，而且载流子处于相干状态时发生。会失去材料本身 的电阻，只会因用来施加电压的电极能带构造而产生电阻（量子化电阻）。与超 电导极为不同的是，不会发生阻断外部磁场的现象（迈斯纳效应）。
石墨烯理论综述
石墨烯理论综述石墨烯理论（上）Author：二维石墨烯石墨烯是由碳原子排列成六边形结构而形成，可以看作每个晶胞中有一个以两个原子为基础的三角结构。
晶格向量可以写成*石墨烯晶体简化结构，石墨烯一个原胞中包含两个不等价的碳原子,。
其中为原胞基矢；是晶格常数。
下边给出晶格的倒格矢石墨烯特别重要的物理性质是,两个点在石墨烯Brillouin区（）顶点处。
这些点之所以会被命名为Dirac点的原因，后面将会给予解释。
它们在动量空间中位置（倒格矢）为石墨烯第一Brillouin区示意图，其中为倒格矢量，,和是高对称点。
实空间中三个最邻近矢量六个次邻近点距离矢量为对石墨烯的周期六角格点系统采用电子紧束缚模型，只考虑到最近邻原子之间的相互作用，电子可以跳到的最邻近原子。
在二次量子化的哈密顿量，有如下形式这里我们以最低准粒子激发能量为能量参照点扣除掉它归入本底，即选取。
此外我们假定近邻原子轨道波函数之间不存在重叠，也就是说（紧束缚近似）。
格点模型哈密顿量便写为Nambu表象下可写出BdG矩阵：在晶格A上处有自旋，（）将会湮灭（产生）一个电子（对于点B 处等价定义也适用），是最邻近跃迁能量（不同晶格之间的跃迁），表示只对邻近格点原子求和。
实际上哈密顿量中，根据上图所示近邻原子之间的相对坐标，计算相邻两个原子的波函数对哈密顿量的重叠积分可得到：则动量表象中哈密顿量为由此可以算出色散关系为：加号对应较高频能谱()，减号对应较低频能谱()。
从能谱可以明确看到石墨烯沿着高对称点的色散关系。
我们可以看到导带和价带是对称的并且导带和价带在布里渊区的顶角处是简并的。
由于每一个晶胞中有两个碳原子，每一个碳原子都贡献一个电子，因此石墨烯的价带刚好填满同时导带全空，也就是说Fermi面刚好要处在导带和价带之间，由于导带底和价带顶刚好交于点，Fermi面应穿过点，因此我们可以认为石墨烯是一个零带隙的半导体。
这主要是对称性的要求，因为晶格格点处和都占据着碳原子，有相同的轨道能级。
石墨烯的掺杂研究
晶格掺杂
掺杂效果明显
吸附掺杂
取决于金属，弱掺杂
表 1.2 石墨烯 p 型掺杂的总结[10]
掺杂机理
掺杂效果
吸附掺杂 N 型掺杂效果很明显，在空气中容易变成双极性
晶格掺杂
N 型掺杂效果很明显，在空气中比较稳定
晶格掺杂
有电压则稳定
晶格掺杂 化学吸收掺杂效果明显且稳定，物理吸附不稳定
晶格掺杂
化学吸附掺杂效果明显
1.1 走进石墨烯
石墨烯的微观结构中，碳原子 4 个价电子中的 3 个以 sp2 杂化的形式与最近邻三个碳原子 形成平面正六边形连接的蜂巢结构[1], 这使得石墨烯具有很高的强度和热导；另一个垂直于碳 原子平面的σz 轨道电子在晶格平面两侧如苯环一样形成高度巡游的大π键，这使得石墨烯具 有更多其他的性能。
石墨烯是一种零带隙的半导体，其价带和导带在布里渊区内呈狄拉克锥形接触（如图 1.1 所示）[2]，并具有良好的导电率、极高的电子迁移率[3]和独特的光学性质。这使得开发和研究 具有高性能石墨烯基的半导体功能器件成为了研究的热点。其中，对于石墨烯能带的调控成 为了研究的重点，科研工作者希望从理论和实验上获得打开石墨烯带隙的方法。
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本科毕业设计说明书
石墨烯掺杂一般分为两类，一类是 p 型掺杂（形成 p 型半导体），一类是 n 型掺杂（形成 n 型半导体）。
石墨烯的掺杂一般有两种方式[4]，一是吸附掺杂，二是晶格掺杂。对于吸附掺杂，是在 石墨烯表面吸附掺杂物，由于掺杂物中电子的最高占据轨道能级和石墨烯的费米能级不同， 从而产生电荷转移，从而得到调控石墨烯带隙的目的。如果石墨烯的费米能级较低，那么电 荷就会向石墨烯转移，形成 n 型掺杂，石墨烯的费米能级升高；如果石墨烯的费米能级较高， 那么电荷就会由石墨烯转移到掺杂物，形成 p 型掺杂，石墨烯费米能级降低(如图 1.2 所示)[5][6]。 对于晶格掺杂，是在石墨烯中，用掺杂物原子取代石墨烯中的碳原子，与其他周围的碳原子 成键，改变石墨烯的能带结构。一般情况，如果掺杂原子的价电子多于碳原子的 4 个价电子， 则会形成 n 型掺杂；如果掺杂原子的价电子少于碳原子的 4 个价电子，则会形成 p 型掺杂。
石墨烯综述
石墨烯综述1.1石墨烯概述石墨烯(Graphene)作为一种平面无机纳米材料，在物理、化学、科技、数码方面的发展都是极具前景的。
它的出现为科学界带来极大的贡献，机械强度高，导热和导电功能极具优势，原材料来源即石墨也相当丰富，是制造聚合复合物的最佳无机纳米技术。
由于石墨烯的运用很广泛，导致在工业界的发展存在很严重的一个问题就是其制作过程规模浩大，所以应该将其合理地分散到相应的聚合物内部，达到均匀分布的效果，同时平衡聚合物之间的作用力。
石墨烯的内部结构是以碳原子以sp 2杂化而成的，是一种单原子结构的平面晶体，其以碳原子为核心的蜂窝状结构。
一个碳原子相应的只与非σ键以外的三个碳原子按照相应的顺序连接，而其他的π则相应的与其他的的碳原子的π电子有机地组成构成离域大π键，在这个离域范围内，电子的移动不受限制，因为此特性使得石墨烯导电性能优异。
另一方面，这样的蜂窝状结构也是其他碳材料的基础构成元素。
如图1-1 所示，单原子层的最外层石墨烯覆盖组成零维的富勒烯，任何形状的石墨烯均可以变化形成壁垒状的管状[1]。
因为在力学规律上，受限于二维晶体的波动性，所以任何状态的石墨烯都不是平整存在的，而是稍有褶皱，不论是沉积在最底层的还是不收区域限制的。
，如图1-2 所示，蒙特卡洛模拟（KMC）做出了相应的验证[3]。
上面所提的褶皱范围在横向和纵向上都存在差异，这种微观褶皱的存在会在一定程度上引起静电，所以单层的会很容易聚集起来。
同时，褶皱的程度也会相应的影响其光电性能[3-6]图1-1. 石墨烯:其他石墨结构碳材料的基本构造单元，可包裹形成零维富勒烯，卷曲形成一维碳纳米管，也可堆叠形成三维的石墨[7]。
Figure 1-1. Graphene: the building material for other graphitic carbon materials. It can be wrapped up into 0D buckyballs, rolled into 1D nanotubes or stacked into 3D graphite[7].图 1-2. 单层石墨烯的典型构象[1]。
石墨烯综述
石墨烯综述概要：自2004年石墨烯横空出世，便引起全世界科学家的关注。
随着研究的一步步深入，石墨烯的各项有点更是引起世界的惊叹。
第一次成功制备出石墨烯的两位科学家安德烈·K·海姆和康斯坦丁·沃肖洛夫也在2010年夺得诺贝尔物理学奖。
本文从石墨烯的发现，结构，特性，制备及应用几个方面出发，对石墨烯做了一次比较简单，全面的综述。
关键字：石墨烯，发现，结构，特性，制备，应用一，发现及研究进展斯哥尔摩2010年10月5日电瑞典皇家科学院5日宣布，将2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学科学家安德烈·K·海姆和康斯坦丁·沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。
2004年，英国曼彻斯特大学的安德烈·K·海姆(Andre K. Geim)等利用胶带法制备出了石墨烯。
一问世，就受到广泛关注，对石墨烯的研究也越来越深入，石墨烯独特的碳二维结构，优越的性能，广泛的应用前景更是吸引了全世界科学家的目光。
可以说自2004年石墨烯横空出世，便轰动了整个世界，引起了全世界的研究热潮。
如今已过去五年，对石墨烯的研究热度却依然不减。
在短短的五年时间内，仅在Nature 和Science 上发表的与石墨烯相关的科研论文就达40 余篇。
新闻发布会上，美联社记者问及石墨烯的应用前景，海姆回答，他无法作具体预测，但以塑料作比，推断石墨烯“有改变人们生活的潜力”。
二，石墨烯的结构石墨是三维（或立体）的层状结构，石墨晶体中层与层之间相隔340pm，距离较大，是以范德华力结合起来的，即层与层之间属于分子晶体。
但是，由于同一平面层上的碳原子间结合很强，极难破坏，所以石墨的溶点也很高，化学性质也稳定，其中一层就是石墨烯。
石墨烯是由单层碳原子组成的六方蜂巢状二维结构，即石墨烯是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子面材料，是碳的二维结构。
这种石墨晶体薄膜的厚度只有0.335纳米，把20万片薄膜叠加到一起，也只有一根头发丝那么厚。
氧化石墨烯纳米带能带结构和态密度的第一性原理研究
氧化石墨烯纳米带能带结构和态密度的第一性原理研究王伟华;卜祥天【摘要】The charge density, energy band structure, density of states and project density of states of graphene oxide nanoribbons were investigated using the first principle calculations based on densi-ty functional theory. The results indicate that the graphene oxide nanoribbons are an indirect band gap semiconductor with an energy gap of 0. 375 eV. The charge density is transferred among C, O and H atoms. The project density of states show that the localization and hybridization between C-2s, 2p,О-2p, H-1s electronic states are induced in the conduction band and valence band. The lo-calization is induced byО-2p electronic states at Fermi level. It plays a major role in improving the semiconductor luminescence effect of graphene oxide nanoribbons.%基于密度泛函理论,采用第一性原理方法,计算了氧化石墨烯纳米带的电荷密度、能带结构和分波态密度.结果表明,石墨烯纳米带被氧化后,转变为间接带隙半导体,带隙值为0.375 eV.电荷差分密度表明,从C原子和H原子到O原子之间有电荷的转移.分波态密度显示,在导带和价带中C-2s、2p,O-2p,H-1s电子态之间存在强烈的杂化效应.在费米能级附近,O-2p态电子局域效应的贡献明显,对于改善氧化石墨烯纳米带的半导体发光效应起到了主要作用.【期刊名称】《发光学报》【年(卷),期】2017(038)012【总页数】5页(P1617-1621)【关键词】氧化石墨烯纳米带;能带;分波态密度;第一性原理【作者】王伟华;卜祥天【作者单位】内蒙古民族大学物理与电子信息学院, 内蒙古通辽 028000;内蒙古民族大学物理与电子信息学院, 内蒙古通辽 028000【正文语种】中文【中图分类】O472.4;TB321石墨烯纳米带(GNRs)是当前研究领域中最新的研究材料之一，因为具有优良的电学和光学特性使其为制备高效的纳米电子器件提供了坚实的材料基础，引起了科学工作者的广泛关注[1]。
文献综述.石墨烯
文献综述.石墨烯文献综述石墨烯的计算物理研究近况石墨烯的计算物理研究近况一、石墨烯晶体的研究近况单层的二维石墨单晶，因其面外声子振动模式的存在，并不认為能够孤立的稳定存在。
因此，单层的二维石墨单晶，石墨烯，於2004 年通过在SiO2 表面上巧妙的光学效应被观测到，且具有奇异的电学特性，引起广泛关注。
石墨烯的电子特性主要由其π电子控制。
由於构成石墨烯的每个碳仅有一个π电子，导致π电子能带為半填充。
在过渡金属元素组成的材料中，电子的半填充特性对电子的强关联物理具有重要的影响。
在过渡金属元素中，由於原子核对d 电子有强的束缚性，在同一格位元的电子之间又有强的库仑排斥作用，导致由过渡金属元素组成的化合物中，特别是氧化物中，存在强的关联效应，磁性和绝缘特性。
最近的实验资料支持第一性原理计算的电子能带结构。
在以单电子近似為基础的电子低能线性色散关系的基础上，电子-电子之间的相互作用以及相关的电子关联特性成為石墨烯电子物理研究的重点。
在外加磁场下，奇异的整数量子霍尔效应，特别是仅室温边可观测到此效应( 实际上，正是这种奇异的整数量子霍尔效应证实了能带理论框架下Dirac 费米子的电子特性）。
Dirac 费米子可以百分之一百的几率通过经典的势垒禁区。
Dirac 费米子在外加限制势下可导致电子波的jittery 运动，即所谓的Zitterbewegung 现象。
在石墨烯上，由於下面衬底（如SiO2 表面）结构的杂质电荷引起的静电效应，石墨烯本身外平面声子震动引起的起伏和与衬底作用引起的起伏，以及石墨烯產生过程中必然引起的点缺陷，这些无序引起的局域的静电势效应，都可能导致对石墨烯的电子导电特性有重要影响。
二、石墨烯器件的研究近况随著电子器件的小型化，低於50nm 尺寸的纳米电子器件的要求使石墨烯成為理想的候选材料。
因此，裁剪石墨烯，在二维平面中引入纳米尺寸（如石墨烯纳米带），以及引入的边界问题值得考虑，特别是由於石墨烯电子的手征特徵所引起的边界效应，边界电子态的存在，以及边界态对电子输运的影响。
第一性原理研究石墨烯在锂硫电池和钠离子电池中的应用
摘要摘要锂离子电池是现代科技的核心技术之一，锂离子电池具有很多优越性能，已在手机、移动充电器等便携式设备中得到了广泛的应用，此外，有望应用到电动汽车、航天航空等其它高新领域。
然而随着社会经济的发展，当前的锂离子电池已经无法满足市场的需求，人们对它的实用性要求越来越高，例如对它的功率、能量密度和充放电速率等性能的要求。
最近，锂-硫电池激起了很多研究者的兴趣，原因是硫具有巨大的比容量（1673 mAhg-1）。
此外，硫是丰富的、廉价的且环境友好的。
同时，锂-硫电）的低电导率（在25℃时的电导率为池的缺点也是明显的，包括长硫链（如S85x10-30 S cm-1）和多硫锂化物的高溶解率（多硫锂化物很容易溶解在电极溶液中，引起活性硫的损耗）。
这些问题限制了锂-硫电池的循环寿命，为了防止锂硫化合物在电解液中的溶解，目前，国际上实验研究主要集中在包含硫的复合碳纳米材料上，如介孔和微孔碳材料，石墨烯和氧化石墨烯，碳纳米管，碳纤维，和空心介孔相材料等。
虽然在不同类型的碳材料的探索上，大家付出了很大努力，但是对其中的微观机制，目前的理解还非常有限。
由于锂资源并不丰富，它的可利用性受到了很大限制。
随着锂离子电池的市场化，原材料价格也相应地提高了，导致成本明显提高。
最近，钠离子电池受到广泛关注。
钠离子电池与锂离子电池原理相似，钠资源丰富，钠离子电池被认为有希望部分代替锂离子电池。
实际研究中，国际上各研究团体发现找到合适的负极材料很困难，原因是钠离子的离子半径(~98-102 pm) 远大于锂离子的半径(76 pm)。
锂与石墨复合可形成稳定的嵌层化合物LiC6，因此石墨可作为一个很好的锂离子电池的负极材料，但是对于钠离子，与石墨复合仅可形成稳定的嵌层化合物NaC64，导致石墨只有~35mAh/g的电容量。
目前，实验上正在探索硬碳、软碳、膨胀石墨等碳材料，希望寻找一种优秀的钠离子负极材料。
在本论文中，针对上面提到的锂、钠离子电池中的两个问题，我们研究了（1）锂硫团簇与石墨烯及缺陷石墨烯的相互作用，（2）钠离子和钠离子团簇在石墨烯及缺陷石墨烯中的存储。
qe计算石墨烯声子谱计算
qe计算石墨烯声子谱计算
石墨烯是一种由碳原子构成的二维晶格结构，具有许多独特的
物理性质。
声子谱计算是研究材料的振动特性的重要方法之一，它
可以揭示材料中原子的振动模式和能量。
对于石墨烯的声子谱计算，可以采用第一性原理计算方法，如密度泛函理论（DFT）结合力常数
的计算。
声子谱计算可以通过使用量子化学计算软件包，如VASP、Quantum ESPRESSO等来实现。
在进行声子谱计算时，需要考虑石墨烯的晶格结构、原子质量、晶格常数等因素。
通过计算得到的声子谱可以展现出石墨烯中声子
的色散关系、声子态密度等信息。
这些信息对于理解石墨烯的热学、传输性质等具有重要意义。
另外，声子谱计算也可以通过实验手段进行，如红外光谱和拉
曼光谱等实验技术可以用来测量和研究材料的声子谱特性，从而验
证理论计算的结果。
总的来说，石墨烯声子谱计算是一个复杂而又有挑战性的课题，需要综合运用理论计算和实验技术，以期对石墨烯的声子振动特性
有一个全面深入的认识。
第一性原理计算有关低维材料电学特性及其微纳电子器件传输特性仿真
第一性原理计算有关低维材料电学特性及其微纳电子器件传输
特性仿真
本篇论文主要针对目前低维材料在工业应用中遇到的两个关键性问题：石墨烯的零带隙局限及衬底对其电学特性的影响,并且分别以单层碳化硅材料和氟化石墨烯为切入点尝试进行解决。
本文通过第一性原理计算对于这些类石墨烯二维材料的电学性能及其在电学器件中的应用进行了仿真及预测,具体内容包括：对于单层碳化硅材料p-n结传输特性的探究,发现了一个峰谷比大于104的差分负阻现象,并且在很宽的整流区间内发现了整流比高达104以上的整流现象,预测了其在微纳器件及下一代柔性器件中的应用前景；以及对于氟化石墨烯其氟化机理的分析,预测在ICP激发含氟气体氟化石墨烯的过程中,使用SF6气体能够得到更高质量的氟化石墨烯,并且对于氟化石墨烯在石墨烯高敏分子传感器中的应用作出了一定的预测性研究,发现石墨烯下表面加入氟原子指向石墨烯的单层氟化石墨烯C4F有可能对于有毒气体的探测起到非常好的增强效果。
通过文中一些仿真的分析及预测,对于实验工作者提供了一定的指导意义以及启发,为目前工业领域的一些待解决问题提供了可行的解决方案。
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第一性原理计算综述引言理论计算模拟是除了实验方法外的另一种更好的探究和理解微观物质的内在机理和运动规律手段，对实验的相关结果也起重要的参考和补充作用。
对于纳米尺度上的理论研究，基于密度泛函理论的第一性原理计算是最为常见的方法之一。
第一性原理计算方法中不使用经验参数，只使用光速，电子质量，质子和中子的质量等少数物理参数，通过自洽迭代方法求解薛定谔方程来预测纳米材料的有关结构和特性。
第一性原理方法可以从电子轨道层面准确地模拟和预测材料特性。
同时，结合基于密度泛函理论的分子动力学模拟方法，基本上可以准确地判断和预测材料的结构特性。
这一过程只需要一个基于若干计算机的工作机群内，对大投资的传统实验开发是一个巨大的冲击。
虽然目前第一性原理计算方法的结果与完全精确地物性模拟还有一段距离，但是通过各种理论的修正，可以在一定程度上减小计算误差，提高预测的准确性，这也是目前第一性原理计算所采用的主要处理手段。
可以想象，随着第一性原理计算体系的逐渐完善，它必将作为一个不可缺少的科研工具，在纳米器件的工作平台上作为交互前端出现，承担大部分的设计与预测工作。
理论基础第一性原理计算资源TD-DFT应用实例Hubbard模型和VASP应用实例Hubbard模型是考虑固体中电子短程库仑排斥力的一种非常简化的模型。
这个简化的模型考虑了固体中运动电子量子机理，和电子间的非线性排斥作用。
Hubbard模型在物理的理论研究方面还是一个非常重要的模型。
尽管模型中物理表示非常简化，但却能反映出各种有趣的现象，如金属．绝缘体的相互转变，反铁磁体系，铁磁体系，流体和超导体。
本文中我们利用在紧束缚近似下的Hubbard 模型验证了第一性原理的结果。
计算所采用的软件是VASP，，它使用赝势和平面波基组来进行从头算量子力学分子动力学计算。
离子和电子的相互作用用投影缀加波(PAW)方法来描述。
电子的交换关联采用GGA-PW91泛函。
在计算哈密顿量时，将电子密度投影到实空间网格中进行积分，与网格密度对应的截断能取为450eV。
结构优化使用共轭梯度（CG）法则将所有原子坐标弛豫，直到每个原子受到的原子力都小于0.02Ev/A。
所有的QDs在法线方向设有足够大的真空区域（>18A）以确保相邻的QDs之间没有相互作用。
在总能量的能带结构的计算中，按照Monkhorst-Pack近似，在布里渊区只考虑G点，K格矢取1×1×1。
能量收敛精度为10−4eV。
在自旋极化计算中，考虑了不同自旋排列以获得基态的磁矩。
为比较上面所提到的BN量子点的稳定性，我们利用第一性原理计算了各个结构的形成能，见表3.1。
从表中数据可以看出以下特性：(1)在富B/N环境下，边缘用氢钝化的Tri-(NH)n-BN-QDs和Tri-(BH)n-BN-QDs在能量上比只有顶角原子被氢化或裸边稳定。
(2)在富B环境下，Tri-(BH)n-BN-QDs比Tri-(NH)n-BN-QDs更稳定，而后者在富B/N环境下有较优的稳定性。
(3)在富B/N环境下，六边形量子点Hex-(BN)n-BN-QDs的形成能与三角形量子点Tri-(BH)n-BN-QDs (或Tri-(NH)n-BN-QDs)的形成能是有可比性的。
这些性质清楚地表明，与裸露边缘的量子点相比，边缘加氢可以大大提高量子点的能量稳定性，因为未配对的σ电子从能量角度上不利于氮化硼量子点的稳定性，这一结论与文献中很好地吻合。
值得注意的是，在富N环境下Tri-(NH)n-BN-QDs中负的形成能意味着高的可操作性。
SIESTA应用实例采用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了zigzag边缘的三角形石墨烯量子点(ZTGQD)／氮化硼(h．BN)双层异质结构，并沿垂直平面方向上施加外电场，通过改变BN衬底的尺寸及电场强度实现对ZTGQD电子和磁学特性的调控。
采用基于密度泛函理论的从头算软件——SIESTA进行理论模拟计算。
这个软件使用标准的Kohn—Sham自洽密度泛函方法。
交换关联泛函采用Perdew．Burke．Emzerhof(PBE)形式的广义梯度近似(GGA)。
价电子与原子实的相互作用采用完全非局域形式的标准模守恒赝势来描述，价电子波函数以双zeta 加极化的基函数(DZP)进行展开。
计算中将电荷密度投影到实空间网格中进行积分来计算自洽的哈密顿矩阵元素，与网格密度对应的截断能为100Rv。
对于ZTGQD，沿平面方向采用周期性边界条件，而垂直平面方向设有足够大的真空区域(>15A)以确保相邻ZTGQD／h-BN异质结构的之间没有相互作用。
为了得到所研究的各个结构的平衡构型，我们使用共轭梯度(Conjugate Gradient，CG)法则将所有原子坐标和超晶胞共同驰豫，直至应力张量的每个元素都低于0．02 GPa，原子力小于O．02 eV／A。
在总能量和能带结构的计算中，按照Monkhorst-Pack近似，对于团簇结构，取(1×1×1)。
施加外电场后，ZTGQD／h．BN双层异质结构的磁学特性发生了改变，如图5．3。
对于ZTGQD有4．0的磁矩，而外加电场为0．1eV时，其磁矩变为3．0，进一步改变外电场大小如O．2eV，0．25eV,1．0eV时，对应的总磁矩变化甚小。
AtomistixTool-Kit (ATK)计算软件包应用实例石墨烯纳米带是一种具有单原子层厚度的纳米材料, 不同手性的石墨烯纳米带表现出不同的电学性质. Zigzag 型的石墨烯纳米带通常为金属型, 而Armchair 型纳米带可能为半导体型或金属型. 石墨烯纳米带的手性特征影响器件的电子输运能力, 我们选取具有Zigzag 边缘(锯齿状边缘的周期数N=11)的石墨烯纳米带构建传感器件. 实验上可以实现对完整石墨烯纳米带进行光刻蚀操作, 得到一定宽度的纳米间隙, 间隙边缘上存在碳原子的悬挂键,不饱的碳悬挂键很不稳定, 容易与周边其他原子结合, 因此用氢饱和纳米间隙上的碳原子悬挂键,避免悬挂键的影响. 图(a, b)分别表示碱基分子单链和单碱基分子通过器件时的俯视图. 器件由左电极、中心散射区、右电极三部分构成, 胞嘧啶、甲基化胞嘧啶以及羟甲基化胞嘧啶分别通过纳米带间隙, 图(c)表示三种不同的碱基分子结构, 中心散射区包含间隙周围的原子以及碱基分子; 电极截取3个石墨的纳米带原胞. 分子器件的总长为3.33 nm,纳米带间隙宽度为1.37 nm, 间隙宽度保证被测分子能够自由地穿过间隙并可以在间隙中自由旋转.对电子输运性质的计算, 采用了密度泛函理论(DFT)和非平衡格林函数(NEGF)的AtomistixTool-Kit (ATK)计算软件包中的两极体系完成. ATK可以模拟实现纳米结构体系和纳米器件的电学性质和量子输运性质, 它使用赝势及分子轨道线性组合的方法计算电子结构, 采用非平衡态格林函数计算在外加偏压下器件的电子输运性质. 本工作中交换关联函数采取LDA, 采用1×1×500 的k 点抽样对应简约布里渊区, Mesh cutoff 取为150 Ry, 混合参数取为0.1, 自洽循环收敛精度为10− Hartree.利用第一性原理计算模拟, 构建了一种石墨烯基纳米间隙生物分子传感器件的理论模型. 研究结果表明, 当碱基分子胞嘧啶、甲基化胞嘧啶和羟甲基胞嘧啶分别通过石墨烯纳米间隙时, 器件的横向电流发生改变, 部分偏压下, 电流信息的差异可以区分三种碱基. 同时, 相邻分子的相互作用以及其构型对器件输运性质有较大影响, 这源于碱基分子的结构及碱基分子与器件耦合作用的差异. 尽管许多其他因素(诸如溶剂效应、稳定性、分子进入构型等)对器件输运性质的影响期待进一步研究, 但目前工作显示, 此类石墨烯基传感器件区分碱基与变异碱基分子的可能性, 为变异碱基在DNA分子链中的准确定位提出了一种可能的检测方法.参考文献【1】Jariyanee, P.; Anton, G.; Biswarup, P.; Rajeev, A.; Ralph, H. S.Nano Lett. 2011, 11, 1941. doi: 10.1021/nl200147x【2】Henk,W.; Postma, C. Nano Lett. 2010, 10, 420. doi: 10.1021/nl9029237 【3】Christopher, A. M.; Ken, H.; Meni,W.; Vishva, R.; Neil, P.; John,B.; Michael, D. F.; Kimberly, V.; Zhengtang,L.; A. T.; Charlie J.;Marija, D. Nano Lett. 2010, 10, 2915. doi:10.1021/nl101046t【4】Meni,W.; Devora, C. K.; Robert, R. J.; Lauren, F.; Jack, B.;Neil, P.; Yu, Z.; Michael, L. K.; Marija, D. J. Am. Chem. Soc.2011, 133, 486. doi: 10.1021/ja107836t【5】William, A. P.; Utz, J. P.; Yun, H.; Hope, R. H.; Ryan, L.;Myunggon, K.; Erin, M. M.;Yevgeny, B.; Sahasransu, M.;Philipp, K.; Mamta, T.; George, Q. D. X.; Shirley, L.; Joseph, R.E.; Patrice, M. M.; Suneet, A.; Anjana, R. Nature Biotechnol.2011, 473, 394. doi: 10.1038/nature10102【6】Yuri, M.; Frank, L.; Mark, H. Nucleic Acids Research 2010, 5,1415.【7】Schadt, E. E.; Turner, S.; Kasarskis. A. Hum. Mol. Genet. 2010,19, R227.【8】Zuzanna, S. S.; Matthew, D. Nature Nanotechnology 2010, 5,697. doi: 10.1038/nnano.2010.198【9】Derrington, I. M.; Butler, T. Z.; Collins, M. D.; Manrao, E.;Pavlenok, M.; Niederweis, M.; Gundlach, J. H. Proc. Natl.Acad. Sci. U. S. A. 2010, 107, 16060. doi: 10.1073/pnas.1001831107【10】Storm, A. J.; Storm, C.; Chen, J. H.; Zandbergen, H.; Joanny, J.F.; Dekker, C. Nano Lett. 2005, 5, 1193. doi: 10.1021/nl048030d【11】Iqbal, S. M.; Akin, D.; Bashir, R. Nat. Nanotechnol. 2007, 2,243. doi: 10.1038/nnano.2007.78【12】Dekker, C. Nat. Nanotechnol. 2007, 2, 209. doi: 10.1038/nnano.2007.27 【13】Wu, M. Y.; Smeets, R. M. M.; Zandbergen, M.; Ziese, U.; Krapf,D.; Batson, P. E.; Dekker, N. H.; Dekker, C.; Zandbergen, H.W.Nano Lett. 2009, 9, 479. doi: 10.1021/nl803613s【14】Taniguchi, M.; Tsutsui, M.; Yokota, K.; Kawai, T. Appl. Phys.Lett. 2009, 95, 123701. doi: 10.1063/1.3236769【15】He, Y.; Scheicher, R. H.; Grigoriev, A.; Ahuja, R.; Long, S.; Huo,Z. L.; Liu, M. Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 2674. doi: 10.1002/adfm.201002530【16】邹辉，倪祥，彭盛霖，欧阳俊，陈羽，欧阳方平；石墨烯基生物分子传感器件的第一性原理研究；物理化学学报2013第2期【17】Kohanoff J 2006 Electronic Structure Calculations for Solids and Molecules (Cambridge:Cambridge University Press)【18】Martin R M 2004 Electronic Structure (Cambridge:Cambridge University Press) 【19】Ouyang M, Huang J L, Cheung C L and Lieber C M 2001 Science 292 702 【20】Zolyomi V and Kurti J 2004 Physical Review B 70 085403【21】Rakitin A, Papadopoulos C and Xu J M 2003 Phys. Rev. B 67 03341【22】席岩；石墨烯及类石墨烯量子点结构设计和自旋调控的第一性原理研究；山东大学【23】N．Troullier and J．L．Martins，ehys．Rev．B 43(1991)1993。