石墨烯纳米带能带结构调控的理论研究

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学位论文（设计）作者签名：指导教师签名：

年月日

论文题目：石墨烯纳米带能带结构调控的理论研究

专业：微电子学

本科生：朱善旭（签名）___________

指导教师：徐大庆（签名）___________

摘要

随着集成电路技术的快速发展，集成密度，速度和存储器容量等集成电路性能指标的进一步发展必须要减小设备的尺寸。但是随着器件尺寸不断减小，硅材料较小的载流子迁移率，较低的热传导率，较差的稳定性成为了集成电路行业进一步发展的障碍，因此寻找新的材料来代替硅成为了科学研究的热点。石墨烯具有极高的电子迁移率（15000cm2·V- 1·S - 1）和优良的热传导率（3-5KW·m- 1·K- 1），因此，石墨烯被认为是可以取代单晶硅或者与单晶硅相结合，进而保持集成电路继续沿着摩尔定律提高性能的一种重要的新材料。

众所周知，本征石墨烯是一种带隙为零的半金属材料。如何打开石墨烯纳米带的带隙，使之具有半导体的基本性质，是研制石墨烯基半导体电子器件的重要条件之一。本研究基于密度泛函理论的第一性原理，利用Materials Studio程序及其CASTEP 模块研究如何改变石墨烯纳米带的能带结构。首先通过建立扶手椅型和锯齿型石墨烯纳米带模型计算分析不同形状的石墨烯纳米带的能带结构，并改变石墨烯纳米带的长度和宽度以及纳米带的层数研究结构变化对石墨烯纳米带带隙的影响，然后通过建立掺杂、吸附模型研究其各自对石墨烯纳米带带隙的影响，最后研究应力下的石墨烯纳米带的能带结构。

研究表明，不同长宽的石墨烯纳米带能带结构有变化。在长度较小，宽度适中时扶手椅型石墨烯纳米带带隙较大，长宽均较小时锯齿型石墨烯纳米带带隙较大，双层结构的石墨烯纳米带的带隙相对单层也会发生变化。另外，掺杂和吸附均可实现石墨烯纳米带能带结构的调控，但吸附对石墨烯优越的电学特性改变较小。最后，研究发现应力的存在使石墨烯纳米带的带隙减小。

关键词：石墨烯纳米带，能带结构，带隙，掺杂，吸附

Subject: Theoretical Research on the Regulation of Band Structure of Graphene nanoribbons

Specialty: Science and Engineering of Microelectronics

Name: Zhu Shanxu (Signature) ___________ InStructor: Xu Daqing (Signature) ___________

ABSTRACT

With the rapid development of integrated circuit technology, the further development of integrated circuit performance indicators such as density, speed and memory capacity ，depends on reducing the size of the device. But as device dimensions continue to decrease, less carrier mobility, low heat conduction rate, poor stability of silicon have become an obstacle to the further development of the integrated circuit industry, so looking for new materials to replace silicon has become a hot spot of scientific research. Graphene is a Semi-metallic with a band gap of zero, with extremely high electron mobility (15000cm2·V- 1·S - 1) and thermal conductivity (3-5KW·m- 1·K- 1). Therefore, graphene may be a good candidate to replace the silicon to maintain the rapid development of microelectronics technology in the future.

It is well known,as a semi metal, the band gap of graphene is zero,it is one of the important conditions for the development of graphene based semiconductor electronic devices that opening the band gap of graphene and make it have the basic properties of semiconductors.Based on the first principles of density functional theory, the energy band structure of graphene is studied by using the Materials Studio program and its CASTEP module. Firstly calculating and analyzing the energy band structure of graphene with the different shapes by building armchair and zigzag graphene model, and we change length,width and the number of layers of graphene nanoribbons to study the change of the energy band structure of graphene by changing structure of graphene. And then through the establishment of doping, the adsorption model to study their respective effect to graphene band gap . At the end of the study should be the energy band structure of the graphene under stress.