石墨烯作为二维材料的旗舰材料,由于其卓越的物理化学属性,激发了人们的研究热情。但是石墨烯的零带隙的电子结构极大地限制了它的实际应用。为了解决这一问题,科研人员提出了石墨烯纳米化的解决方案,以期通过石墨烯的纳米化,如将石墨烯转变为石墨烯纳米带、石墨烯纳米片、石墨烯纳米团簇等,对石墨烯的物理化学属性进行调制,获得更具应用价值的石墨烯基材料。石墨烯在纳米化的过程中,会自然地暴露其边界。由于石墨烯在纳米化的过程中,尺寸会发生显著减小,所以边界所发挥的作用会逐步凸显出来。边界“扮演”着与三维材料的表面相似的角色,支配着石墨烯纳米材料的基本化学和物理性质,如磁性、导电性和催化活性等。具体来说,石墨烯边界的性质在很大程度上取决于其精确的边界构型。平面六角蜂窝晶格结构中碳原子独特的σ键与π键组合的成键方式保证了石墨烯的高度稳定性。如果对这种六角蜂窝晶格结构进行“剪裁”,必然会得到具有理想的锯齿形边界、扶手椅形边界或者这两种边界任意组合的新型纳米材料。然而,这些石墨烯纳米材料的理想边界通常是不稳定的,因为在这些理想的边界上部分碳-碳共价键被破坏,边界处出现未配对的电子,形成悬键。根据热力学定律,不稳定的理想石墨烯边界必然会发生自发重构以形成一个更加稳定的重构边界。除了边界重构外,石墨烯边界的稳定性还取决于其所处的化学环境。前人研究发现:化学钝化,尤其是氢钝化可以大大提高石墨烯边界的稳定性。氢钝化已经发展成为一种稳定石墨烯纳米材料的重要技术手段。目前,虽然理论上已经提出了几种氢钝化石墨烯边界结构,但对于高度稳定的氢钝化石墨烯边界结构仍缺乏全面、系统的研究。因此本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对氢钝化石墨烯扶手椅型边界和锯齿型边界的结构稳定性进行了系统的研究,并对氢钝化石墨烯边界导致的电子性质的改变进行了深入分析,获得以下创新性研究成果:1.对氢钝化石墨烯边界结构的稳定性进行了系统的研究,证实了氢钝化对稳定石墨烯边界有着重要作用;首次预言了比原始的锯齿形、扶手椅形更加稳定的氢钝化石墨烯边界结构。2.研究了化学环境对于边界结构稳定性的影响,筛选出了氢钝化边界构型稳定的条件。3.计算了具有高度稳定边界的石墨烯纳米带的电子性质,发现氢钝化有望诱导石墨烯纳米带的金属-半导体转变。氢钝化石墨烯边界结构的理论研究对石墨烯在电子器件、电催化等领域的发展有着重要的推动作用,可以为石墨烯基材料的研发提供理论指导,具有重要的科学意义。