掺杂armchair石墨烯纳米带电子结构和输运性质的研究

第39卷第4期2011年8月

福州大学学报（自然科学版）

Journal of Fuzhou University（Natural Science Edition）

Vol．39No．4

Aug．2011

DOI：CNKI：35－1117/N．20110705．1543．017文章编号：1000－2243（2011）04－0533－06掺杂armchair石墨烯纳米带电子结构和输运性质的研究

安丽萍1，2，刘念华1，刘春梅1，刘正方1

（1．南昌大学高等研究院，江西南昌330031；2．燕山大学物理系，河北秦皇岛066004）

摘要：基于第一性原理计算，研究了B/N掺杂对宽度为N

a

=3p+2=11的扶手椅（Armchair）型石墨烯纳米带电子结构和输运性质的影响．杂质的存在使得扶手椅型石墨烯纳米带的能隙增大，并在能隙中出现了一条局

域的杂质态能带，杂质的位置也影响其能带结构．另外，杂质的存在还引起输运过程中的电子共振散射，其特

点与掺杂种类、掺杂位置和结构对称性有关．

关键词：扶手椅型石墨烯纳米带；杂掺；电子结构；输运性质

中图分类号：O472文献标识码：A

The study of the electronic structure and transport properties of

armchair graphene nanoribbons with dopant

AN Li－ping1，2，LIU Nian－hua1，LIU Chun－mei1，LIU Zheng－fang1

（1．Institute for Advanced Study，Nanchang University，Nanchang，Jiangxi330031，China；

2．Department of Physics，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei066004，China）

Abstract：The electronic structure and transport properties of armchair graphene nanoribbons（AG-NRs）with B/N dopant are studied by using the first－principles calculation．It is shown that because

of the existence of the dopant，there is an impurity band in the energy gap of armchair graphene nanor-ibbons and their energy gaps increase．The band structures depend also on the position of the dopant．

In addition，the existence of the dopant yields resonant backscattering in the charge transport，whose

features are strongly dependent on the types，the position of the dopant and the symmetry of the struc-ture．

Keywords：armchair graphene nanoribbons；dopant；electronic structure；transport properties

单层石墨片的成功剥离和石墨烯纳米带（graphene nanoribbon）的成功制备引起了人们对此类碳基纳米

材料研究的极大热情［1－9］．这种石墨烯纳米带具有类似碳纳米管（CNTs）的结构和量子限域效应，是潜在

的新一代微纳电子学的候选基础材料之一．石墨烯纳米带是具有一定宽度、无限长度的准一维带状石墨

烯，按照边缘的形状，可以分为锯齿型石墨烯带（zigzag－graphene nanoribbon，ZGNR）和扶手椅型石墨烯

带（armchair－graphene nanoribbon，AGNR）．石墨烯纳米带的特性强烈依赖于它们的几何构型，通过控制

几何构型可将其调制成金属或能隙宽度依赖于纳米带宽度的半导体［10］，这在能带工程中非常有用．

另外，石墨片和石墨烯纳米带在最初的制备过程中不可避免地产生各种缺陷，如拓扑缺陷、空位、吸

附原子和替位式杂质，这些缺陷的存在会影响其结构和性能［5－9，11－20］．类似于传统半导体，如在锯齿型石

墨烯带中掺B/N，将产生受主（施主）杂质能级，实现金属和半导体的转变，而且随着杂质原子在纳米带

中位置的不同，将会发生受主与施主的转变［13］．另外，由石墨烯裁制而成的微纳电子器件一般都是在有

限偏压下工作，有必要研究偏压下石墨烯纳米带的电子输运情况．本工作旨在探讨宽度为N a=3p+2=11

的扶手椅型单层石墨烯纳米带的掺杂效应，利用第一性原理方法研究B/N掺杂对扶手椅型石墨烯纳米带

电子结构和输运性质的影响．

收稿日期：2010－10－27

通讯作者：安丽萍（1975－），讲师，E－mail：fox781209@sina．com．cn

基金项目：国家自然科学基金资助项目（10832005）

福州大学学报（自然科学版）第39卷1计算方法与模型

电子结构和输运性质的计算采用基于密度泛函理论（DFT）和非平衡格林函数（NEGF）的计算程序包Atomistix ToolKit（ATK）完成．计算中采用了具有Perdew－Zunger形式交换关联势的局域密度近似（LDA），布里渊区积分通过Monkhorst－Pack方法自动产生，用1ˑ1ˑ50的k点抽样对应简约布里渊区，自洽计算中的diagonal mixing parameter参数设为0．1，Mesh Cutoff取为150Ry以达到计算效率和精度的平衡．与碳纳米管类似，把具有armchair边缘的石墨带称为armchair型石墨带，把具有zigzag边缘的石墨带称为zigzag型石墨带，按照传统方法用H原子饱和边缘悬挂键，如图1所示（其中矩形框表示最小周期性单元）．其中带轴方向为X轴，可周期性重复，带宽用沿Y轴方向的N a（z）来表示，例如，图1（a）和（b）分别表示的是宽度为11－AGNR和宽度为4－ZGNR的纳米带．对于扶手椅型石墨烯纳米带，Tight－binding 计算表明，当带宽N a=3p+2（p为整数）时，纳米带表现为零带隙金属，其它都为半导体（用ΔN

a

表示带隙），且有Δ3p＞Δ3p+1＞Δ3p+2（=0）；然而，第一性原理计算表明，没有金属性的armchair石墨烯纳米带，即都为半导体，且有Δ3p+1＞Δ3p＞Δ3p+2（≠0）［12］．笔者选取宽度N a=3p+2=11（为带隙极小值），同时考虑到计算量的限制，选两个重复单元作为研究的超原胞，研究B/N掺杂对扶手椅型石墨烯纳米带电子结构和输运性质的影响，如图1（a）所示．图中A，B，C，D分别表示杂质所在原胞中的位置，当杂质在A时表示中心掺杂，在D时表示边缘掺杂

．

图1石墨烯纳米带图

Fig．1Schematic of graphene nanoribbon

2计算结果和讨论

2．1完整和掺杂扶手椅型石墨烯纳米带的电子性质

图2给出了宽度为N a=3p+2=11的完整和含有两种杂质的扶手椅型石墨烯纳米带费米面附近的能带结构．图中直线表示费米能级的位置，括号外的大写字母D，B，A表示杂质所在的位置，括号内的字母表示掺杂原子．从图2可以看出，杂质的引入使armchair石墨烯纳米带费米能级发生了移动．掺B后，由于引入了空穴，导致体系中少了一个电子，也就是原来纳米带中最高被填充的能级（价带）将由完全占据变为部分占据，使得费米能级下移，如图2（b）；掺N后，由于引入了一个电子，这个电子将占据更高的导带，使得原来全空的导带变为部分占据，因而费米能级上移，如图2（c）．同时，从图2（b）和（c）图可以看出，在费米能级附近处出现一与费米能级相交的杂质能级或缺陷能级，而且，杂质不同其相应的杂质能级方向也不同，掺B的杂质能级是斜向下的，即杂质态能量的最小值在X点，相反，掺N的杂质能级是斜向上的，即杂质态能量的最小值在Γ点．另外，同一杂质在不同位置时，对能带影响也不同，当杂质从中心位置A逐渐向边缘位置D移动时，对费米面附近的能带影响越来越大，表现在中心掺杂几乎不影响其·

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