缺陷對石墨烯電子結構的影響

由圖4(a)可以看出，對于50個碳原子的本征石墨烯超胞，能帶帶隙為零。以上經過計算的結果與實驗室測量結果相符，表明本征石墨烯具有良好的導電性。
在含50個碳原子的石墨烯超胞中，將兩個成鍵的碳原子旋轉90°，形成Stone-Wales缺陷，從而得到含Stone-Wales缺陷的石墨烯超胞，結構如圖3(b)所示。其計算的能帶結構如圖4(b)所示。從圖4(b)可看出，由于Stone-Wales缺陷的引入，使原本征石墨烯的導帶向高能方向移動，移至0．7 eV左右，價帶沒有發生變化。但在0．5 eV處引入一條新的能帶，這條能帶是由Stone-Wales缺陷中存在的五元環和七元環所貢獻，此能帶為Stone-Wales缺陷的缺陷態。該條能帶的引入使石墨烯的帶隙增至0．637eV。
以50個碳原子的石墨烯超胞為基礎，在其中去掉一個碳原子，相鄰碳原子相互成鍵，幾何優化后，得到含單空位缺陷石墨烯超胞，結構如圖3(c)所示。其計算的能帶結構如圖4(c)所示，從圖中可以看出，由于單空位缺陷的引入，使得本征石墨烯的導帶底和價帶頂之間引入了兩條新的能帶，并且導帶底向高能方向移動，價帶頂同時向低能方向移動，帶隙增至1．591 eV，使石墨烯具有半導體性。其中費米能級上方的能帶十分平直，局域性很強，應為單空位缺陷結構中九元環上懸掛鍵產生的能帶，而在費米能級下方的能帶應為九元環中五邊形邊緣的碳原子所貢獻。這條能帶可作為單空位缺陷的缺陷態。
以50個碳原子的石墨烯超胞為基礎，在其中去掉兩個相鄰的碳原子形成雙空位缺陷，其穩定構型會形成一個八元環和兩個五元環，結構如圖3(d)所示。計算得到的能帶結構如圖4(d)所示，雙空位缺陷的引入使帶隙增加至1．207 eV，但由于雙空位結構不存在含懸掛鍵的原子，因此沒有單空位缺陷的能帶結構中由懸掛鍵貢獻的局域態很強的能帶，只在費米能級上方產生了一條由五邊形和八邊形邊緣碳原子所貢獻的新能帶。此能帶應為雙空位缺陷的缺陷態。
2．2 石墨烯及其缺陷體系的態密度
文中對石墨烯超胞及其缺陷體系進行了態密度計算，其中所有態密度，為了能更好地體現出帶隙，均以Smear因子為0．05 eV進行修正。各態密度圖中費米能級與能帶結構圖中情況相符均在零處。