Rb吸附石墨烯纳米带电子性质和光学性质的研究.pdf

第41卷第2 期2024年4月J.At.Mol.Phys.,2024,41:022003(7pp)Rb吸附石墨烯纳米带电子性质和光学性质的研究原子与分子物理学报JOURNAL OF ATOMIC AND MOLECULAR PHYSICSVol.41 No.2Apr.2024王伟华，罗杰，周嘉旭（内蒙古民族大学数理学院极端条件物理科研团队，通辽0 2 8 0 0 0）摘要：本文基于密度泛函理论的第一性原理方法了计算了Rb、O 和H吸附石墨烯纳米带的差分电荷密度、能带结构、分波态密度和介电函数，调制了石墨烯纳米带的电子性质和光学性质，给出了不同杂质影响材料光学特性的规律结果表明本征石墨烯纳米带为n型直接带隙半导体且带隙值为0.6 39eV;Rb原子吸附石墨烯纳米带之后变为n型简并直接带隙半导体，带隙值为0.49 4eV;Rb和0 吸附石墨烯纳米带变为p型简并直接带隙半导体，带隙值增加为0.996 eV；增加H吸附石墨烯纳米带后，半导体类型变为n型直接带隙半导体,且带隙变为0.2 9 9 eV,带隙值相对减小，更有利于半导体发光器件制备吸附Rb、0 和H原子后，石墨烯纳米带中电荷密度发生转移，导致C、Rb、O 和H之间成键作用显著：吸附Rb之后，在费米能级附近由C-2p、Rb-5s 贡献；增加O原子吸附之后,O-2p在费米能级附近贡献非常活跃,C-2p、Rb-5s和O-2p电子态之间强烈的杂化效应，促使费米能级附近的杂质能级分裂成能带；再增加H原子吸附之后,Rb-4p贡献发生蓝移,0-2 p在费米能级附近贡献非常强，费米能级分裂出两条能带.Rb、0 和H的吸附后，明显调制了石墨烯纳米带的光学性质关键词：石墨烯纳米带；能带结构；光学性质；分波态密度；第一性原理中图分类号：0 47 4The electronic and optical properties of rubidiumadsorbed on graphene nanoribbons文献标识码：AD0I:10.19855/j.1000-0364.2024.022003WANG Wei-Hua,LUO Jie,ZHOU Jia-Xu(Extreme Conditions Physics Research Team,College of Mathematics and Physics,Inner Mongolia Minzu University,Tongliao 028000,China)Abstract:Based on the first principles of density functional theory,in this paper,we calculate the differentialcharge densities,energy band structures,partial state densities and dielectric functions of Rb,O and H adsorbedgraphene nanoscales,modulate the electronic and optical properties of graphene nanostrips,and study the laws ofdifferent impurities affecting the optical properties of materials.The results show that the intrinsic graphenenanostrip is an n-type direct bandgap semiconductor with a bandgap value of 0.639 eV.After the Rb atom ad-sorbed on graphene nanostrip,it becomes an n-type degenerate direct bandgap semiconductor with a bandgapvalue of 0.494 eV;Rb and O adsorbed graphene nanostrips become the p-type degenerate direct bandgap semi-conductors,and the bandgap value increases to 0.996 eV;after increasing the H adsorption on graphene nanos-trip,its semiconductor type becomes n-type direct bandgap semiconductor with the smaller bandgap of 0.299eV,which is more conducive to the preparation of semiconductor luminescent devices.After adsorptions of Rb,O and H atoms,the charge density in the graphene nanoribbon shifts,resulting in significant bonding betweenC,Rb,O and H.After adsorption of Rb,C-2p and Rb-5s contribute near the Fermi energy level.After in-creasing the adsorption of O atoms,O-2p contributes very actively near the Fermi energy level,and the hybrid-收稿日期：2 0 2 2-0 8-12基金项目：国家自然科学基金（1196 40 2 6）；内蒙古自治区自然科学基金（2 0 16 BS0107，2 0 19M S0 10 10，2 0 19M S0 6 0 17）；内蒙古自治区高等学校科学技术研究项目（NJZZ22470，NJZZ19145）；内蒙古民族大学科学研究基金（NMDYB20040）作者简介：王伟华（198 5一），男，博士，副教授，内蒙古自治区通辽市人，主要从事凝聚态理论研究.E-mail:022003-1第41卷ization of C-2p,Rb-5s and O-2p electronic states promotes the impurity levels near the Fermi level to splitinto energy bands.After adding H atom adsorption,the Rb-4p contribution is blue-shifted,and the O-2pcontribution is very strong near the Fermi energy level,and the Fermi energy level splits into two energy bands.After the adsorption of Rb,O and H,the optical properties of graphene nanostrips are clearly modulated.Key words:Graphene nanoribbon;Energy band structures;Optical properties;Project density of states;Firstprinciple calculations子特性和光学性质，掺杂之后材料的电子特性发1 引 言生调制，光学性质显著改变通过改变半导体的人类文明的发展史从石器时代一直到现在的物理特性从而开发材料在纳米电子器件中的应用.硅芯时代，未来也许会发展到碳烯时代石墨烯2理论模型的力学性极强，理论上强度是钢的一百倍；有着宽频吸光的特性，从短波X射线、紫外线到可见光再到红外线；电子传输非常快，具有广泛的电子性质，对未来的纳米电子学具有重要的意义，这个集多种性能于一身的材料是非常少见的，是战略前沿材料，石墨烯纳米带的制备有多种方法，可以分为自上而下法和自下而上法两种路径，自上而下法有裁剪、刻蚀等，自下而上法有化学气相沉淀、有机分子可控自组装等1.2 在实际应用中，石墨烯纳米带具有强烈的边缘效应和复杂的电学性质，为了获得单层石墨烯某种电性可以对其进行切割，根据边缘形状可分为锯齿式和扶手椅式，不同的边缘条件决定了它们的电子特性3，对石墨烯电子特性的研究利用推动了纳米器件的发展与应用4-6。研究发现扶手椅式石墨烯纳米带具有半导体特性，其能隙值与纳米带带宽成反比，有着多种方法计算其电子特性，例如：密度泛函理论方法7-11、多电子格林函数方法、束缚计算方法等等：通过扰动、掺杂和化学修饰等多种方法对石墨烯纳米带进行调控，从而引起石墨烯纳米带物理特性的变化，使其在器件中的应用性大大增加12-16 金属掺杂石墨烯纳米带可以通过调节其宽度或吸附原子的类型，获得良好的导电性，使它们的化学性质稳定，储H性能增强，因此，有必要对石墨烯纳米带吸附Rb、O 和H原子的电子结构和态密度进行研究，进一步阐述吸附金属和非金属原子后，材料的导电特性和光学性质的变化规律。本文主要研究石墨烯纳米带和 Rb、O 和H原子吸附石墨烯纳米带的物理特性，通过MaterialStudio(MS)软件对晶体结构模型进行构建，利用Quantum-Espresso软件对结构进行优化并计算其物理特性，采用局域密度近似方法得到材料的电原子与分子物理学报本文基于密度泛函理论的第一性原理方法，并对交换相关泛函进行了模守恒势，研究了本征石墨烯纳米带、Rb、O 和 H吸附石墨烯纳米带的稳定性、差分电荷密度、电子能带结构、分波态密度和光学性质的计算设置平面截止能量为40Ry，电荷密度截断能为16 0 Ry，以获得满意的计算效率和精度布里渊区采样取用1140Monkhorst-Pack网格测试给出了收敛结果计算中使用的系统是石墨烯纳米带，C原子沿z轴方向周期性生长，每一个C原子上都具有生长键，C原子沿y轴断裂并利用H修饰终端边缘，并将其沿轴和y轴分别设为6.8 A和18 A，作为真空层，为了避免纳米带与其周期图像的相互作用.在中间C原子桥位吸附一个Rb原子再吸附一个O原子，之后再吸附一个H原子，利用能量最低原理对结构进行优化从而得到一个稳定的周期超晶胞结构图1和图2 分别为石墨烯纳米带和Rb原子吸附C原子，Rb原子和O原子吸附原子，Rb原子，O原子和H原子吸附C原子产生的石墨烯纳米带正面图和侧面图对于石墨烯纳米带预测的平均C-C键长度为1.40 3A，这与石墨烯的实验值相一致，采用拟牛顿算法和极小化方法对所有内部结构参数进行了优化：计算中考虑了C-2s，2 p、Rb-4s，4p，5d、0-2 s,2 p 和H-1s等价电子态.3结果与讨论3.1稳定性分析为了分析Rb、O 和 H掺杂石墨烯纳米带的稳定性，计算了吸附能量和获得的距离，其中吸附能公式为：022003-2第2 期第41卷(a)图1原子结构正面图：（a)石墨烯纳米带，（b)Rb吸附石墨烯纳米带，（c)Rb和O吸附石墨烯纳米带，（d)Rb、O 和H吸附石墨烯纳米带.Fig,1 Atomic structure frontal figures:（a)G r a p h e n enanoribbon,（b）)Rb a d s o r b e d g r a p h e n e n a n o r-ibbon,（c)Rb a n d O a d s o r b e d g r a p h e n e n a-noribbon,（d)Rb、O a n d H a d s o r b e d g r a-phene nanoribbons.Xz(a)图2 原子结构侧面图：（a)石墨烯纳米带，（b)Rb吸附石墨烯纳米带，（c)Rb 和O吸附石墨烯纳米带，（d)Rb、O 和H吸附石墨烯纳米带.Fig,.2 Atomic structure side diagrams:（a)G r a p h e n enanoribbon，（b）Rb A d s o r b e d G r a p h e n e n a-noribbon，（c）Rb a n d O A d s o r b e d G r a p h e n enanoribbon,（d)Rb、O a n d H A d s o r b e d G r a-phene nanoribbons.E。=E-Em-E(Rb)-E(O)-E(H)(1)表1给出了吸附能和相应吸附原子的键长，结果表明，Rb、O、H 吸附石墨烯纳米带后，吸附能依次降低，表明随着吸附原子的种类和数量的变化，结构趋于稳定，这是由于O和H原子得失电子能力强，电负性增强.Rb-O-H吸附能最低且为负值，材料体系达到热力学最稳定状态。吸附原子与最近邻C原子的键长可知，由于O和H原子的增加，导致d(C-Rb)发生了调制，结合d(H-O)促使结构更加稳定，结构更接近于实际.表1吸附能及Rb、O 和H原子吸附在石墨烯纳米带的原子的距离。Table 1Adsorption energies and distances between Rb,Oand H atoms adsorbed on graphene nanostrip.Rb-adsorbed0.239 eVdc-Rb3.664 ARb,O-adsorbedEadc-RhdRb-0Rb,O,H-adsorbedEadc-Rhdrb-0d-03.2电荷密度图3给出了Rb原子吸附石墨烯纳米带、Rb王伟华，等：Rb吸附石墨烯纳米带电子性质和光学性质的研究(b)(c)(b)(c)Ea第2 期原子和O原子吸附石墨烯纳米带以及Rb原子O原子和H原子同时吸附石墨烯纳米带的差分电荷(d)密度定量图：图3（a）所示，吸附Rb原子之后，Rb原子和C原子之间形成明显键电荷和稳健的态，Rb原子和C原子附近的电荷密度都在增加，键电作用使Rb原子的价电子与C-2s，2 p 价电子产生非常强的杂化作用：图3（b)表明增加0 原子吸附之后，O原子和Rb原子附近电荷密度增加：由于原子的存在，最近邻的C原子附近电荷大大减少，向Rb 原子和O原子发生转移，Rb原子与原子之间存在很强的杂化现象，电子在(d)Rb原子与C原子之间产生电子共有化运动，体系的电荷密度被调制图3(c)表明再增加H原子吸附之后，H、O、C 和 Rb 原子之间电荷密度发生转移，Rb与C、O、H 之间形成了化学键结果表明 Rb、O 和H 吸附之后石墨烯纳米带的电子性质发生了改变3.3能带结构图4给出了本征石墨烯纳米带、Rb、O 和 H吸附石墨烯纳米带的能带结构图，其中0 处是费米能级，费米能级在图中以红色实线为标志图4(a)显示了本征石墨烯纳米带为n型直接带隙半导体且带隙值为0.6 39eV，且费米能级附近能带导通增多，带间带隙较窄，有利于半导体发光。图4（b）显示出Rb原子掺杂之后价电子增多，导致在费米能级附近贡献增加，使得导带底和价带顶的位置红移，费米能级进人了导带中，半导体类型变为n型简并直接带隙半导体，带隙值为0.494eV.图4(c)显示出增加0 吸附之后，费米能级进入价带当中，带隙值增加为0.9 9 6 eV，半导体类型改变为p型简并直接带隙半导体。在-56.5e V 之间价带中的带隙较密，价电子之间相互作用较强，能带之间能量较低，电子跃迁的可能性增加图4(d)为再增加H吸附之后，费米-6.689 eV能级向导带方向移动，带隙值减小为0.2 9 9 eV，2.991 A为n型直接带隙半导体，且费米能级附近的能带2.382A有明显的调制，Rb、O 和 H 吸附石墨烯纳米带之-11.064 eV后材料具有极高的使用价值.3.615 A3.4态密度分析2.544 A为了进一步解释Rb掺杂石墨烯纳米带以及0.967 ARb、O、H 吸附石墨烯纳米带后，半导体类型发生转变的原因，计算了体系的分波态密度，并着重研究费米能级附近的电子态贡献，如图5所示，022003-3第41卷图3差分电荷密度：（a)Rb吸附石墨烯纳米带，（b)Rb和O吸附石墨烯纳米带，（c)Rb、O 和H吸附石墨烯纳米带。Fig.3 Differential charge density diagrams:(a)Rb adsorbed graphene nanoribbon,(b)Rb and O adsorbed graphenenanoribbon,（c)Rb、O a n d H a d s o r b e d g r a p h e n e n a n o r i b b o n s.6-4224-664224-6图4能带结构：（a)石墨烯纳米带，（b)Rb吸附石墨烯纳米带，（c)Rb 和O吸附石墨烯纳米带，（d)Rb、O和H吸附石墨烯纳米带，Fig.4 Band structures:(a)Graphene nanoribbon,(b)Rb adsorbed graphene nanoribbon,(c)Rb and O ad-sorbed graphene nanoribbon,(d)Rb、O a n d H a d s o r b e d g r a p h e n e n a n o r i b b o n s.分波态密度分布与能带结构完全吻合，进一步证明能带结构计算的正确性图5（a)给出Rb吸附石墨烯纳米带分波态密度图，在费米能级附近由C-2p、Rb-5s 贡献，价带主要由C-2s，2 p、H-1s、Rb-4p 电子态贡献，导带主要由C-2s，2p、Rb-5s、H-1s 贡献.图5(b)给出 Rb 和0掺杂石墨烯纳米带分波态密度图，增加O掺杂时，在费米能级附近主要由 C-2p、Rb-4p 贡献，其中Rb-4p，5s 的贡献发生蓝移，0-2 p在费米能级附近非常活跃，费米能级向价带方向移动，由于Rb-5s、O-2 p 和C-2p电子态之间的杂化效应，促使费米能级附近的杂质能级分裂成能带图5(c)给出Rb、O 和H吸附石墨烯纳米带分波态密度图再增加H吸附之后，O-2p的原子与分子物理学报SeakAaScakAn(r)-0.0032-0.0136+0.0636+0.1914+0.1303+0.3963+0.1970+0.6013+0.2637+0.8062+0.3305+1.0112(a)(b)(a）WaveVectorZ(c)E024-6WaveVectorZ贡献向导带方向移动，且在费米能级附近贡献非常强，由于电子共有化运动在费米能级附近0-2p、Rb-5s、C-2 p 有很强的杂化作用，费米能级分裂出两条能带。3.5光学性质本文还利用局域密度近似计算介电函数和能量损失谱，如图6 所示经过计算得到扶手椅式石墨烯纳米带的光学介电函数的实部和虚部，介电函数关系：()=8i(o)+i82(w)8（）为介电函数实部，与晶体内部发生电子、原子或分子位移极化有关，8 2（）为介电函数虚部，描述电子跃迁与光吸收有关介电函数(）沿xx、y y 和zz方向可分为三个部分，而sxx022003-4第2 期SeakeAn-0.0022+0.1992+0.4006+0.6019+0.8033+1.0047(c)22-4-664-2E(b)WaveVectorZ(d)EWaveVectorZ(2)第41卷SOd40-20-0-12-8-4048Energy(eV)图5分波态密度：（a)Rb吸附石墨烯纳米带，（b)Rb和O吸附石墨烯纳米带，（c)Rb、O 和H吸附石墨烯纳米带。Fig.5 Partial wave densities of states:(a)Rb adsorbed graphene nanoribbon,(b)Rb and O adsorbedgraphene nanoribbon,(c)Rb O and H adsorbed graphene nanoribbons.8y图6（a)为介电函数实部，本征石墨烯纳米带极化性质较强，Rb吸附石墨烯纳米带之后，材料极化强度减弱，在实部范围内出现两个峰值0.12eV和2.31eV，均有光吸收能量的作用，存储能量的性能较弱，在0.8 4eV附近光被吸收，由于材料为简并半导体具有半金属性质，且费米能级进入导带，在0.6 31.2 0 eV出现负值增加0 吸附之后，主极大峰值发生蓝移，从0.15eV移动到1.0 8 eV，实部范围内没有负值，半金属性质减弱，材料极化性质变强，存储能量的性能增强，可作为一种很好的极性材料再增加H吸附之后，实部范围有两个峰值，分别为0.2 1eV和2.37 eV.图6(b)为介电函数虚部，本征石墨烯纳米带在虚部范围内出现五处峰值，分别为A(0.63 eV)、B(2.7 1 e V)、C(3.7 8 e V)、D(12.19eV)和E(14.38eV).Rb吸附石墨烯纳米带之后，虚部范围内只有三处峰值，分别为0.45eV、2.58 e V、14.14e V，极大峰发生红移，在0.45eV处是强烈的吸收峰，对于光的吸收高于其余三处，次极大峰表明在带间内部有电子吸收光子发生跃迁，Rb吸附之后储存能力增强增加0原子吸附之后，无尖锐的峰值，在1.38 eV和2.73eV处是吸收峰且均发生蓝移，0 原子的存在对低能量区域影响非常大再增加H原子吸附王伟华，等：Rb吸附石墨烯纳米带电子性质和光学性质的研究10070C2s(a)C2pRb4sRb4p80-Rb5sH1s60-第2 期80C2s(b)C2pRb4s60-Rb4pRb5s02s50-02pHIs40-30-20-10-0-12-8-40.,48Energy(eV)之后，有五处峰值分别为0.57 eV、2.6 4e V、3.96eV、12.10 e V 和14.35eV，重新出现尖锐的峰值图6(c)为能量损失谱，本征石墨烯纳米带有三个峰值，在1.41eV附近为电子与光子相互作用，在6.13eV附近为电子与杂质电子相互作用，在17.93eV附近为电子与等离子体相互作用Rb吸附石墨烯纳米带之后增加为六个峰值，分别为1.32 eV、6.18 e V、16.12 e V、17.35 e V、19.49eV和2 1.0 2 eV.增加0 原子吸附之后，只有五个峰值且第一个峰值发生蓝移，其余峰值均发生红移再增加H吸附之后依旧为五个峰值，分别为1.2 6 eV、6.13e V、16.0 3e V、16.99e V和 19.0 1 eV.4结 论本文基于密度泛函理论采用局域密度近似方法研究石墨烯纳米带以及Rb、O 和H掺杂石墨烯纳米带分析研究结果可以得出掺杂之后该结构电子性质发生改变，系统的电荷密度被调制本征石墨烯纳米带为n型直接带隙半导体且带隙值为0.6 39 eV；Rb 原子掺杂之后半导体类型变为n型简并直接带隙半导体，带隙值为0.49 4eV；增加O原子掺杂之后半导体类型改变为p型简并直接带隙半导体，费米能级分裂出一条能带，带隙值022003-5C2sC2p70-Rb4sRb4pRb5s60-02s02pHIs50-40-30-20-10-0-12-8-40,48Energy(eV)(c)第41卷2520-1510-50-50510152025Energy(eV)图6 介电函数：（a)实部，（b)虚部，（c)电子能量损失谱黑线表示本征石墨烯纳米带；红线表示石墨烯纳米带吸附Rb；蓝线表示石墨烯纳米带吸附Rb和O；粉线表示石墨烯纳米带吸附Rb、O 和 HFig,6 Dielectric functions:(a)Real parts,(b)Imaginary parts,(c)Electron energy loss spectrum.Black line shows graphene nanoribbon;Red line shows Rb adsorbed graphene nanoribbon;Blueline shows Rb and O adsorbed graphene nanoribbon;Pink line shows Rb,O and Hadsorbed gra-phene nanoribbon.增加为0.996 eV，在-5-6.5eV之间电子跃迁可能性增加；再增加H原子吸附之后半导体又变为n型直接带隙半导体，费米能级分裂出两条能带，带隙值减小为0.2 99eV，Rb、O 和H吸附石墨烯纳米带之后材料具有极高的使用价值同时发现，Rb吸附石墨烯纳米带之后表现出优异的光学性质，介电函数表明本征石墨烯纳米带材料极性较强，Rb掺杂石墨烯纳米带之后出现强烈的吸收峰，在带间内部发生电子跃迁，增加O吸附之后材料极化性质变强，对低能量区域影响较大.Rb、O 和H同时吸附石墨烯纳米带之后与本征石墨烯纳米带性质相似，从以上结果表明，掺杂之后石墨烯纳米带电子特性与光学性质显著改变，可制备新型材料，对器件具有广泛应用性.参考文献：1Zhang Y M.Preparation and electrocatalytic perform-ance of non-metallic doped graphene nanoribbons foroxygen reductionD.Taiyuan:Taiyuan University ofTechnology，2 0 2 1（i n Ch i n e s e）张育萌非金属掺杂石墨烯纳米带的制备及其氧还原电催化性能研原子与分子物理学报253.5-C(a)CRb-CRboCRbOH第2 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