石墨烯层状体系的电阻率关于第一性原理的计算

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自2004年石墨烯单层的实验样品首次被成功制备出以来,石墨烯作为新型的二维碳材料一直备受关注。目前石墨烯材料按其原子层数及层间堆叠方式划分,包括石墨烯单层、双层、少层(少于10原子层)及多层(大于10原子层的准二维材料),层间堆叠方式也分为典型的AB和ABC堆叠及其他可能的堆叠方式,另外,最近又出现了各种转角石墨烯结构,因此,石墨烯材料已构成一个多成员的大家族,而且不同的石墨烯结构的电子性质也大不相同。为推动各类石墨烯材料走向实际应用,特别是在新一代电子学领域的应用,深入研究其电子输运性质尤为必要。在室温下石墨烯材料的电子输运特性,例如电阻率,由电子-声子散射机制主导,由于电子-声子散射机制的普遍存在,即使在完全干净的样品中也在所难免,这种由电子-声子散射决定的电阻率称为材料的本征电阻率。本论文的研究工作从第一原理层面计算了两种典型堆叠方式的三层石墨烯的本质电阻率,发现由于不同的对称性,ABA和ABC堆叠的三层石墨烯的本征电阻率明显的不同。不借助于任何半经验的模型和近似,从第一原理层面计算材料的本征电阻率,从物理方案到计算成本两方面看都有很大的挑战性。我们的研究方案如下:首先,在密度泛函理论(DFT)和密度泛函微扰理论(DFPT)基础上,我们完成对电子能带结构、电子波函数、声子频谱、声子本征态以及电子-声子相互作用矩阵元的计算。这些计算都是从第一原理层面进行的,不涉及任何半经验的近似。我们是通过QE(quantum espresso)计算软件实际进行这一步计算的,但必须指出,受计算成本的限制,该层面的计算所涉及k和q网格只能取得相对稀疏(k和q网格分别指电子波矢和声子波矢在布里渊区的取样)。其次,如上所述,由于第一原理计算只能在较稀疏的布里渊取样上开展,所获得的结果直接用于计算本征电阻率一般很难获得足够精确的结果,因为实际落在费米面附近的k和q点很少。为克服这一困难,我们利用Wannier插值方法,这样可从稀疏k和q网格上的物理量获得非常密集网格上的相应结果,实际中的这一步插值计算是通过EPW软件完成的,最后,我们根据Boltzmann输运理论,编写程序计算石墨烯三层结构的本征电阻率。按如上计算方案,我们首先计算获得了ABA和ABC堆叠的三层石墨烯的电子能带和声子谱的数值结果,我们的一部分计算结果和文献中所报道的结果定量一致,因此,可推断我们计算的新结果也是可靠的。然后,我们通过计算得到了ABA和ABC堆叠的三层石墨烯的本征电阻率随温度变化的曲线,发现在室温下ABA堆叠的三层石墨烯结构的本征电阻率比ABC堆叠的三层石墨烯结构的要明显得小,这是由于ABA堆叠的结构在Z方向(垂直于石墨烯平面)具有上下对称性,其Z模式声子(垂直方向的振动模式)和石墨烯的电子态之间的相互作用被禁止,因而这种声子模式不参加电子-声子散射过程。相比之下,对于ABC堆叠的石墨烯三层结构则不具有这种对称性,Z模式声子参加电子-声子散射而影响电子本征电阻率,因而其本征电阻率比ABA堆叠的三层石墨烯结构的要大。关于三层石墨烯结构的本征电阻率的更细节的分析目前正在进行中。
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