[发明专利]单层石墨烯本征缺陷下的电导率计算方法

说明书

本发明公开了一种单层石墨烯本征缺陷下的电导率计算方法。使用本发明能够计算出完美石墨烯晶胞结构出现本征缺陷之后的结构与电子特性的改变，进而得到其电导率的变化情况。本发明首先建立单层石墨烯各类型本征缺陷的晶胞构型模型；然后利用第一性原理得到缺陷结构最为稳定的晶胞常数；通过对比完备完美晶胞和完备缺陷晶胞的晶胞结构、静态情形以及能态密度，理论分析并推导出石墨烯出现本征缺陷之后的电导率变化情况。本发明基于严谨理论分析手段拓展了实验测量，适用于石墨烯缺陷对其电导率的极为敏感的影响分析。

技术领域

本发明涉及石墨烯电导率计算技术领域，具体涉及一种单层石墨烯本征缺陷下的电导率计算方法。

背景技术

据2005年Nature杂志的一篇报道，石墨烯是一种具有特殊能带结构的零带隙半导体材料，其导带和价带交于一点，即在这一点附近的载流子能量与波矢的色散关系是线性的。其导出的奇妙结果就是在这一点附近载流子的质量为零，可传播微米级的距离而不受散射。石墨烯中载流子可以是电子也可以是空穴，理想状态下其本征载流子迁移率可达10⁵cm²V^-1s^-1级别。且迁移率几乎与温度无关，载流子的有效速度达到了10⁶m/s。石墨烯因其独特的晶体结构和优异的电学性质，在航天科技中应用广泛，不胜枚举。但凡事都有两面性，空间环境因其特殊性，如大温差、各种电离辐射和电磁辐射、中性辐射、微流星、轨道碎片、高/超高真空等，会对在空间工作的器件和材料产生各种影响。石墨烯也不例外，其良好的导电性在空间环境中由于各种空间环境效应的影响也会发生改变。其中最主要的影响就是电离辐射，空间的γ射线辐射，紫外辐射，各种高能粒子辐射等会对石墨烯导电性产生各种性质的影响。例如紫外辐射，近日空间环境中，紫外辐照是较为重要的因素之一。波长短于300纳米的所有紫外辐照，虽然只占有太阳总辐照能量的1％左右，但作用很大。紫外线的光量子能破坏石墨烯的碳碳键，引起化学结构变化，造成能态密度、电荷密度改变，进而影响其导电性。空间辐照环境主要来自地球辐射带、太阳宇宙射线、银河宇宙射线等，主要成分是电子、质子、少量重离子和γ射线，它们构成了航天器轨道上的辐射环境。高能粒子会轰击石墨烯的晶胞结构，使其产生位移缺陷、空位缺陷和吸附缺陷等，从而改变其电子能态分布等特性，影响其导电性。同样γ射线也会破坏石墨烯的键，从而影响其导电性。

目前通常采用实验检测的方法获得石墨烯的电导率，然而，本征缺陷的数量本来就及其微小，随着石墨烯生长工艺的不断改进，其本征缺陷会越来越少，超出了实验测量极限；因此，需要采用新的方法研究单层石墨烯出现本征缺陷后引起的电导率变化。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种单层石墨烯本征缺陷下的电导率计算方法，利用第一性原理计算理论，计算出完美石墨烯晶胞结构出现缺陷之后的结构与电子特性的改变，进而得到电导率变化情况。

本发明的单层石墨烯本征缺陷下的电导率计算方法，包括如下步骤：

步骤1，构建不同类型本征缺陷晶胞结构模型，利用第一性原理，计算各类型本征缺陷晶胞的体系总能，最小体系总能所对应的本征缺陷晶胞即为最稳定的本征缺陷晶胞结构；

步骤2，建立步骤1确定的最稳定的本征缺陷晶胞结构的完备晶胞β₁；同时建立单层石墨烯完美晶胞结构的完备晶胞β₀作为对照；

步骤3，利用第一性原理，分别计算完备晶胞β₁和完备晶胞β₀的电荷密度分布信息以及电子能态密度分布信息；

步骤4，将两个完备晶胞β₁、β₀的电子能态密度分别做积分处理，根据两个完备晶胞的电子能态密度积分的变化值计算单层石墨烯在发生本征缺陷后的电导率变化量。