纳米结构中离域π电子和金属的相互作用的计算模拟

并五苯、碳纳米管、石墨烯和其它以碳为基础的材料由于具有良好的力学和电学性质、成熟的制造工艺，被广泛地运用在纳米器件、储能材料、清洁能源等领域。虽然这些纳米结构的物理化学性质各有特点，但是其电子结构上的最大共性就是处于费米能级的离域π电子。这些π电子不仅和界面上的金属原子形成共价键，而且也在电子疏运过程中起着重要作用，在很大程度上决定着纳米器件的性能。目前，关于并五苯、碳纳米管、石墨烯和金属界面之间相互作用的研究非常的活跃，但是研究倾向于关注某些特定体系，而对π电子和金属作用的系统全面的计算模拟工作非常少。我们将建立一个结合量子疏运和第一原理电子结构分析的模型，来阐述纳米结构中的离域π电子和金属界面之间的相互作用，并且总结概括这三种体系的共性和各自特点。离域π电子和金属相互作用的理论研究，不仅可以加深对纳米材料和金属界面的理解，而且将帮助更好地将这些纳米结构集成到电路中。

深入研究具有π电子体系的碳纳米结构与金属界面的相互作用，能够帮助我们有效地理解纳米电子体系的输运机制并降低其在微纳米电子器件及高性能集成电路中的接触电阻。在众多用于接触电极的金属中，我们根据与石墨烯的作用强弱可以将其分为两大类：强吸附金属和弱吸附金属。在本课题中，我们全面地研究并总结了六种不同金属（金，银，铜，铂，钯和镍）与石墨烯的不同接触模型、边缘活性、接触面积、缺陷的结构、能量等性质以及这些因素对金属-离域π电子体系的相互作用和其输运性质的影响，发现与石墨烯形成强吸附的金属电极由于能与石墨烯的π电子更有效地杂化耦合，具有较小的接触电阻；通过改变传统的金属石墨烯接触构型，我们发现使用三明治结构的金属-石墨烯-金属构型能增强弱吸附金属电极与石墨烯的相互作用，从而调控电极接触的输运性质；我们还考虑了石墨烯电子器件中接触区域的缺陷对整个器件接触电阻的影响，发现石墨烯上的空位缺陷与未钝化石墨烯边缘类似，由于缺陷或边缘的高活性悬键能有效地增强弱吸附金属与石墨烯的耦合强度，从而减小接触电阻。而对于强吸附金属与石墨烯形成的电极来说，缺陷整个体系的接触电阻影响不大。此外，我们还拓展研究了杂化碳纳米管网状结构与金属锂的相互作用及电子转移等特性，探索了π电子体系在锂离子电池电极材料以及储氢领域的应用。