石墨烯掺杂对其晶格振动及热学性质影响的理论研究

用第一性原理的方法对掺杂石墨烯的电子性质及振动性质进行计算，从而研究掺杂石墨烯与纯净石墨烯在电子结构和振动性质上的差别，并分析这些差别的物理形成机制，最终建立简单的模型并使用该模型研究在实践中如何通过掺杂来调制石墨烯材料的热导、热容等热性质。计算使用的第一性原理软件有PWSCF和ABINIT。电子结构使用赝势平面波的方法进行高精度的计算。振动性质使用密度泛函微扰理论进行高精度的计算。计算结果全部使用自主编写的分析程序进行分析。计算和分析工作全部在计算工作站上完成。程序全部用Fortran90编程语言编写。

项目完成情况：.项目执行期内，我们用第一性原理的方法对掺杂氢原子（1）和铝原子（2）的石墨烯的电子结构和声子谱进行了计算，发现：1、三角结构的氢原子吸附构型的声子谱存在虚频，证明该结构不稳定，经过系统的结构优化和分子动力学模拟，我们找到了稳定的氢原子掺杂石墨烯的稳定结构为平行排列的矩形吸附结构，我们进一步计算了氢原子掺杂石墨烯与纯净石墨烯在电子结构和振动性质上的差别，并分析了这些差别的物理机制，研究了在实践中如何通过掺杂氢原子来调制石墨烯材料的热稳定性，随后我们用自旋极化密度泛函计算了氢吸附石墨烯的磁性并研究了氢吸附调制石墨烯磁性的可行性，最后给出了理论预测（氢吸附不能有效地使石墨烯产生磁性，只能产生较弱的局域磁矩）；2、石墨烯直接吸附铝原子比较困难，而替代碳原子是使铝原子与石墨烯结合起来的有效办法，计算了掺铝石墨烯的稳定结构和电子结构、声子谱等，发现铝原子的引入会带来新的电子能带和声子带（杂质态），经过分析铝原子的杂质态我们发现铝原子替代碳原子后就变成了石墨烯热传导过程的散射中心，并可以通过改变铝原子吸附结构来调节石墨烯的热导率等热性质。.计算使用的第一性原理软件有PWSCF和CASTEP。电子结构使用赝势平面波的方法进行高精度计算。振动性质使用密度泛函微扰理论进行高精度计算。计算结果全部使用自己编写的Fortran90程序进行分析（包括能带的导出和费米面附近能带的排序等）。计算和分析工作全部在DELL PowerEdge集群上完成。 .取得成果：.目前工作（1）已经开始发表，第一篇SCI论文已出版（请参见“The structure and magnetism of graphone”, AIP Advances 2, 042138 (2012)），一篇关于吸氢石墨烯声子谱的工作已投稿以及工作（2）关于铝掺杂石墨烯声子谱的工作也已投稿，而且还有数据在检验和整理中，后续工作将陆续发表，预计2013年将有>3篇本项目支持的工作发表在SCI期刊上。