过渡金属修饰石墨烯吸附性能

【摘要】石墨烯是碳原子间以sp2轨道杂化组成的呈蜂巢状的二维晶体。石墨烯特殊的二维晶体结构以及纳米级尺寸效应，赋予石墨烯大量优异的物理性质。石墨烯具有约翰逊噪声低、比表面积大、热稳定性高、电子转移速率快等特性，这些性质使得石墨烯成为理想的吸附材料。石墨烯吸附其他物质后，原有电子结构发生改变，利用这一性质可探索制备石墨烯基电子器件。本文采用第一性原理密度泛函理论，计算过渡金属Fe、Co、Ni原子吸附石墨烯和Fe原子修饰石墨烯吸附NH3分子的吸附性质，为石墨基纳米材料的应用及石墨烯基NH3分子传感器的研究提供理论依据。计算采用MaterialsStudio材料计算模拟软件中的DMol3软件包完成。交换关联函数采用局域密度近似（LDA）和PerdewandWang形式。全电子自旋限制非对称的Kohn-Sham波函数，在局域原子轨道基矢上展开，基函数采用极化泛函双数值基组（DNP）。过渡金属原子Fe、Co、Ni吸附石墨烯体系中，考虑单个原子在石墨烯表面吸附的三个高对称位置H位、B位、T位（H位是碳原子六元环中心位置，B位是碳碳键中间位置，T位是碳原子正上方位置），完全结构优化后得到Fe、Co、Ni原子最稳定的吸附位置均为H位。其中，Fe原子吸附能最大。计算完全优化后结构的态密度及密立根电荷。电子态密度的计算结果表明，Fe、Co、Ni原子的吸附，导致费米面附近态密度发生巨大变化，狄拉克点消失，电子趋于占据低能级，峰位左移，吸附增强。分波态密度可以看出，占据的4s轨道，变为非占据态，过渡金属原子失去电子。通过分析各个体系的密立根电荷可知，Fe、Co、Ni原子吸附石墨烯后，导致体系电荷重新分布，电子从过渡金属原子转移到石墨烯平面。距离吸附金属原子最近的六个碳原子电子转移最大，其他碳原子转移电量小于0.006e。Fe原子电荷转移大于Co、Ni原子。对本征石墨烯吸附NH3分子体系，考虑了NH3分子中的N原子靠近石墨烯平面和NH3分子中的三个H原子靠近石墨烯平面的两种吸附构型，两种吸附构型中吸附能均较小，分别为0.240eV和0.191eV，说明NH3分子与石墨烯基底间没有发生化学反应，为物理吸附。其中，N原子靠近石墨烯平面的吸附构型，比H原子靠近石墨烯平面的吸附构型稳定。Fe原子修饰石墨烯吸附NH3分子的吸附构型与本征石墨烯吸附NH3分子构型一致。同样考虑N原子靠近石墨烯平面和三个H原子靠近石墨烯平面两种吸附构型。H原子靠近Fe原子石墨烯平面的构型完全结构优化后，NH3分子打破对称位置，旋转180°最终变成N原子靠近Fe原子石墨烯平面的结构。Fe原子的引入导致NH3分子中的H原子靠近Fe修饰石墨烯基底的结构无法稳定存在。在两种稳定的吸附构型中，本征石墨烯吸附NH3分子和Fe原子修饰石墨烯吸附NH3分子体系的吸附能分别为0.240eV和1.791eV，同本征石墨烯吸附NH3分子相比，Fe原子的引入增强了石墨烯基底对NH3分子的吸附性能。通过分析体系态密度可知，Fe原子与N原子电子轨道大量杂交，Fe、N原子间发生强烈的相互作用，说明了Fe原子的引入增强了石墨烯基底对NH3分子的吸附作用。密立根电荷分布显示，吸附体系电荷重新分布，Fe原子失去电子，石墨烯中的C原子和NH3分子中的N原子得电子，Fe原子既和石墨烯基底有相互作用又和NH3分子中的N原子有相互作用，这是Fe原子使体系吸附增强的原因。
【作者】于圣；
【导师】朱品文；
【作者基本信息】吉林大学，凝聚态物理，2014，硕士
【关键词】密度泛函理论；过渡金属吸附；NH3吸附；石墨烯；电子结构；

【参考文献】
[1]王镜伟.基于物联网的智能家居系统的软件设计[D].山东大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[2]朱秀兰.乡村旅游文化内涵的发掘与构建研究[D].福建农林大学,农村与区域发展,2012,硕士.
[3]黄勃.ICS直放站的多普勒频移问题研究[D].武汉邮电科学研究院,通信与信息系统,2011,硕士.
[4]董金柱.新民主主义社会理论及其实践中断的原因探析[D].河南大学,中共党史,2004,硕士.
[5]韦欢.不同加工工艺对安徽乌龙茶品质的影响[D].安徽农业大学,茶学,2012,硕士.
[6]刘曌宇.变刚度聚合物链的理论研究[D].兰州大学,固体力学,2013,硕士.
[7]石志平.早期乙型肝炎肝硬化湿热证兼夹特征及其与TGF-β1基因多态性相关性研究[D].福建中医药大学,中医内科学,2014,硕士.
[8]曾显奇.新郑国际机场管理公司组织架构优化设计研究[D].山东大学,工商管理（专业学位）,2012,硕士.
[9]周玥.促进中小企业融资的税收政策研究[D].首都经济贸易大学,税务（专业学位）,2014,硕士.
[10]叶明超.新型平面偶极子天线研究[D].安徽工程大学,检测技术及自动化装置,2012,硕士.
[11]周平红.GPS高程在市政工程测量中的应用研究[D].广东工业大学,结构工程,2013,硕士.
[12]季顺迎.渤海海冰数值模拟及其工程应用[D].大连理工大学,2001.
[13]张宇奇.基于FPGA的AIS链路层SOC芯片研究[D].大连海事大学,信息与通信工程,2013,硕士.
[14]许有云.青少年学生公正价值观的心理学研究[D].上海师范大学,发展与教育心理学,2004,硕士.
[15]王婧.地西他滨对白血病细胞WT1基因表达及启动子区域甲基化水平的调控研究[D].苏州大学,内科学,2014,硕士.
[16]王文娟.论新闻专业主义在近代中国的萌芽[D].湖北大学,新闻学,2012,硕士.
[17]李书涛.基于LDA的射线工业相机的研究与设计[D].南京理工大学,控制工程,2013,硕士.
[18]张丽华,董宇,支欢欢,纵伟.食品工艺学教学中学生创新、创业能力的激发和培养[J].轻工科技,2015,02:181-182.
[19]李文林,李承楚.含裂隙介质中弹性波场正演模拟[J].石油地球物理勘探,1994,06:713-723+800.
[20]陆艺.空间hedonic模型理论建模技术研究[D].华中科技大学,管理科学与工程,2012,硕士.
[21]梁启明.数控雕铣机进给传动系统动刚度建模与仿真分析[D].广西科技大学,机械设计及理论,2013,硕士.
[22]王琪.H公司工程项目管理信息系统的构建与实施保障[D].吉林大学,项目管理,2014,硕士.
[23]杨春保.基于电信数据仓库的ETL元数据研究与实现[D].昆明理工大学,2004.
[24]肖晓春,唐江,周军,胡彬,施华,董炜蔚.第6届国际光子与光电子学会议暨第11届生物医学光子学与成像技术国际学术研讨会[J].国际学术动态,2014,03:45-53.
[25]陈童.肺局灶性磨玻璃病变的CT形态学表现与灌注曲线的相关性研究[D].大连医科大学,影像医学与核医学,2012,硕士.
[26]吕汐妍.术前康复程序对髋关节骨关节炎患者全髋关节置换术后短期功能水平的影响[D].成都中医药大学,中医骨伤科学,2012,硕士.
[27]郭磊.构造应力场作用方式的模糊综合评判方法研究[D].天津大学,水工结构工程,2004,硕士.
[28]贺天舒.小型双轴水平稳定平台的设计与实现[D].浙江海洋学院,农业推广（专业学位）,2013,硕士.
[29]董侃,刁利军,赵雷廷,刘志刚.基于基本矢量钳位策略的过调制算法研究[J].铁道学报,2014,06:35-40.
[30]朱丽娜.金钗、铁皮、马鞭、鼓槌、迭鞘五种不同基源石斛的药效学评价研究[D].成都中医药大学,中药学,2012,硕士.
[31]赵全超.我国三大经济圈城市群能级分布研究[D].天津大学,技术经济及管理,2004,硕士.
[32]蒋维.城市化对水文要素影响分析及城市雨洪控制研究[D].浙江大学,水利工程（专业学位）,2012,硕士.
[33]陈良波.2自由度机器人转动关节LuGre摩擦模型参数辨识[D].华侨大学,机械工程（专业学位）,2013,硕士.
[34]赵旭,朱晓民,廖建新,王纯.移动智能网预付费用户数据业务实时计费的研究与设计[J].电信网技术.2006(10)
[35]薛洪省.MTA1在小细胞肺癌中功能的研究[D].大连大学,外科学,2014,硕士.
[36]李利花.超临界二氧化碳辅助石墨烯的制备、功能化及在燃料电池中的应用[D].郑州大学,材料学,2013,硕士.
[37]叶青.浅论并购交易中的目标企业估值[D].上海交通大学,金融,2013,硕士.
[38]曹媛.从单向度到多向度[D].华中科技大学,当代国外马克思主义研究,2012,硕士.
[39]郭勇.国际金融危机、区域市场分割与工业结构升级——基于1985—2010年省际面板数据的实证分析[J].中国工业经济,2013,01:19-31.
[40]赵弘森.中学人文地理认知结构的构建策略研究[D].东北师范大学,课程与教学论,2012,硕士.
[41]刘晓晶.生态翻译学视角下的林戊荪《孙子兵法》英译研究[D].苏州大学,翻译,2013,硕士.
[42]赵静飞.东忠集团软件外包业务发展战略研究[D].安徽大学,工商管理,2013,硕士.
[43]秦绪佳,马吉跃,张勤锋,郑红波,徐晓刚.周期组合颜色结构光编解码方法[J].小型微型计算机系统,2014,11:2562-2566.
[44]谭阳阳.《药品发放的确认：住院病人在用药安全管理中的作用》翻译报告[D].四川外国语大学,翻译（专业学位）,2014,硕士.
[45]李欢,王士同.基于SVM和多观测样本的相似不完整数据分类[J].控制与决策.
[46]贾丽风,高新宇.瞬时卷径计算及PLC应用[J].一重技术.2002(Z1)
[47]陈荣东.中国工程物理研究院组织文化发展研究[D].西南财经大学,工商管理,2003,硕士.
[48]高锐.我国保险业开展住房反向抵押贷款的可行性及对策研究[D].吉林大学,金融,2013,硕士.
[49]胡洋.《论自然法下人和公民的责任》（卷二）翻译报告[D].四川外国语大学,翻译（专业学位）,2013,硕士.
[50]王朝强,谭克锋,戴传彬,王培新.我国脱硫灰渣资源化综合利用现状[J].粉煤灰综合利用,2014,02:51-56.