基于氧化锌类石墨烯结构的能带调控及其传感性质研究

由于氧化锌具有优异的性质，有关研究备受关注。调控并验证其能带结构对设计以氧化锌为基础的传感器和能量转换装置等具有重要意义。本课题以表面功能化设计修饰为基础，采用理论模拟技术和微纳加工技术，将缺陷、掺杂、金属团簇等引入ZnO类石墨烯（graphitic ZnO,g-ZnO）结构的表面，构筑新型氧化锌复合材料。首先，采用密度泛函理论系统研究掺杂和缺陷等因素对g-ZnO能带的调控；其次，利用非平衡态格林函数的方法研究g-ZnO的电子输运性质；再次，将g-ZnO/金属纳米团簇引入到生物分子等的检测中，研究g-ZnO/金属/生物分子三者间的相互作用机制；最后，根据理论模拟设计新型传感器，验证理论模拟结果。与传统的氧化锌能带调控和氧化锌薄膜传感性质研究相比，该研究统筹了能带调控和电子输运性质，将理论和实验相结合，有望设计并制备结构和性能可控的氧化锌新型功能材料和传感器件。

石墨烯具有规整的几何构型和独特的电子结构令物理家为之着迷，由于它独特的结构和优异的性能，石墨烯在复合材料，气体传感，自旋电子器件，二极管和光伏器件等领域有广泛应用。ZnO作为重要的宽带隙半导体金属氧化物之一，形貌繁多，具有独特的物理和化学性能，在各个领域都有巨大的应用潜力。基于ZnO纳米材料的气体传感器的研究和应用，已经存在大量相关的报道。调控并验证其能带结构对设计以氧化锌为基础的传感器和能量转换装置等具有重要意义。本课题以表面功能化设计修饰为基础，采用理论模拟技术和微纳加工技术，将缺陷、掺杂、金属团簇等引入石墨烯及ZnO类石墨烯（graphitic ZnO, g-ZnO）结构的表面，构筑新型二维纳米复合材料。. 本项目研究主要是以下几个方面：研究了二氯苯分子吸附对石墨烯磁学性质与电子输运性能的调控。二氯苯在完整石墨烯上显示很弱的相互作用，因此有必要采用化学或物理方法对石墨烯表面修饰。金属原子掺杂石墨烯结构中能够明显增强二氯苯/石墨烯之间的相互作用，其吸附能远远高于完整石墨烯的。研究工作揭示了不同金属原子存在下有机分子的吸附对体系磁性的影响是不同的。该研究拓宽了石墨烯在磁性传感和开关器件方面的应用，同时也为设计石墨烯纳米器件提供了一种新的思路；研究了CO分子在本征和掺杂氧化锌类石墨烯纳米体系上的吸附，提出了通过引入掺杂可以提高氧化锌类石墨烯体系化学活性的方法。理论计算发现CO分子在完整氧化锌类石墨烯体系上的吸附是比较弱的，具有比较小的吸附能和大的距离。而CO分子和掺杂氧化锌类石墨烯体系之间的显示了强的相互作用。吸附能上的大大增强和电荷转移的增多能够很大程度上地改变氧化锌类石墨烯体系的电学性质。该研究为改变氧化锌类石墨烯体系表面性能的表面提供了指导，同时对设计新型的磁性器件提供了思路；通过溶剂热法及煅烧处理制备出了多孔的单晶片状纳米ZnO。气敏性能测试结果表明多孔的片状纳米ZnO制备的气敏元件对于丙酮气体具有较高的灵敏度和较快速的响应。