第一性原理计算石墨烯综述
石墨烯吸附甲烷的第一性原理研究
关 键 词 ： 墨 烯 结合 能 电 子 态 密度 （ Ｏ ） 第 一性 石 Ｄ Ｓ
原 理
自２ｏ 年 成 功 制 备 二 维 石 墨 烯 片 以 后 … ， 优 越 的 电 ０４ 其 学 性 质 引 起 了 人 们 对 它 的 广 泛 研 究 。石 墨 烯 片 是 指 单 层 碳 原 子 密 堆 排 列 成 的 二 维 正 六 边 形 蜂 窝 状 点 阵 材 料 。 其 性 能 有 ： １ 石 墨 烯 是 迄 今 为 止 世 界 上 强 度 最 大 的 材 料 ， 测 （） 据 算 如 果 用 石 墨 烯 制 成 厚 度 相 当 于 普 通 食 品 塑 料 包 装 袋 厚 度 的 薄 膜 ． 么 它 将 能 承 受 大 约 两 吨 重 物 品 的 压 力 ， 不 至 于 那 而 断 裂 ；２ 石 墨 烯 是 世 界 上 导 电 性 最 好 的 材 料 ， 子 在 其 中 （） 电 的 运 动 速 度 达 到 了 光 速 的 １３ ０ 远 远 超 过 了 电子 在 一 般 导 ／０ ． 体 中 的 运 动 速 度 。 根 据 石 墨 烯 超 薄 ， 度 超 大 的特 性 ， 墨 强 石 烯 可 被 广 泛 应 用 于 各 领 域 ， 如 超 轻 防 弹 衣 ， 薄 超 轻 型 飞 比 超 机 材 料 等 。根 据 其 优 异 的 导 电性 ， 它 在 微 电子 领 域 也 具 使 有 巨大 的 应 用 潜 力 。 墨 烯 有 可 能 会 成 为 硅 的 替 代 品 ， 造 石 制 超 微 型 晶 体 管 ， 来 生 产 未 来 的 超 级 计 算 机 。 元 素 更 高 的 用 碳 电 子 迁 移 率 可 以 使 未 来 的 计 算 机 获 得 更 高 的 速 度 。 另 外 石 墨 烯 材 料 还 是 一 种 优 良 的 改 性 剂 ．在 新 能 源 领 域 如 超 级 电
单双层结构的石墨烯纳米带边界态的第一原理研究
Ｏ 引 言
近年来 ， 单层 和 双层数 的石 墨烯 （ ｒｐ ｅ ｅ 晶体成 为凝 聚 态物 理 学 界 的热 点研 究 问题 。实 验 和理 论 的 Ｇ ａｈ ｎ ） 研究进 展表 明 ， 由于特 殊 的相 对论 性 的低能 能谱结 构 ， 墨烯 可呈 现 出一系列 奇异 的物 理性 质 ¨－Ｊ 石 ３。从 应用 角度来 看 ， 层石 墨烯 是具有 非 常高 的迁移率 （ 单 一５ ０ ｃ ２ ０ ０ ｍ Ｖ～ｓ ） 的零 能 隙半 导体 ， 微 电子学 和 自旋 电 在 子学方 面都 展现 出诱人 的应 用前 景 。为此 ， 们非 常希 望 实现 用 电场 和结 构 来 调控 系 统 的 电子 结 构 。在这 人 方 面 ， 去几 年 间已经取 得 一系列 的进展 。比如 ， 们 已经在 实验上 成功 地用 门 电压来控 制单 层石 墨烯 系统 过 人
是一 边 Ｍ．Ｇ Ｒ， Ｚ Ｎ 另一 边 Ｂ Ｚ Ｎ 双层 区域 有不 同边 界型 式 ， — Ｇ Ｒ， 即 型 （ ２ ａ ） 』 （ ２ ｂ ） 图 （ ） 和 Ｂ型 图 （ ） 。在 计算 中 ， 们采 用投 影缀加 平 面波基 组 （ Ａ 我 Ｐ Ｗ） 同时 电子 关联 势 选 用局 域 密 度 近似 （ Ｄ 对结 构 进 行 优化 并 计 ， Ｌ Ａ）
原 子构成 无 限长 的锯齿 状 （ ｉ ａ ） Ｚｇ ｇ 的链 ， Ｇ Ｒ 的宽度 即锯齿 链 的数 目。进 一 步 ， ｅｎｌ 叠 的双 层锯 齿 型 ｚ ＺＮ Ｂ ｒａ 堆 石 墨烯带 （ －Ｇ Ｒ） 有 ａ型边界 和 型边界 两 种几 何 结构 ¨ ＢＺ Ｎ 具 引。单 双 层 锯齿 型 石 墨烯 纳 米带 （ ．Ｇ Ｒ） ＭＢＺ Ｎ
石墨烯吸附有机分子硝基苯性质的第一性原理研究_赵银昌
2. 2 硝基苯吸附石墨烯体系的构型选取及依据
通过上面的计算可以确定硝基的电负性强于苯
基． 硝基苯分子吸附在单层石墨片上时，苯基应更靠
近石墨烯． 所以对于吸附分子平面垂直石墨烯的情
况，我们只考虑硝基靠近石墨烯苯基远离石墨烯的
构型，如图 2（ a） ，（ c） 所示． 对于吸附分子平行石墨
烯的情况，通过弛豫得之 T（ Top） 位置最稳定，如图
1 计算方法
本文所有计算使用的是基于量子力学第一性原 理密度泛函理论［5 － 6］ 的 VASP［7］ 软 件 包 来 实 现 的． 对硝基苯分子内电荷转移和石墨烯吸附硝基苯分子 时电荷转移使用了实空间的差分电荷分析． 文章中
计算采 用 了 超 软 赝 势 （ US － PP ） ［8］ 和 局 域 密 度 （ LDA） 交换关联近似． 由于所研究体系都是满壳层 的没有考虑自旋极化． 计算中取真空层的距离为 2. 2 nm，这足以消除层间相互作用． 截断能 500 eV， 总能收敛标准取相邻两电子步间能量差小于 1. 0 × 10 － 4 eV，结构优化标准取原子所受力小于 0. 3 eV / nm 时离子步循环停止． 分别用 （ 3 × 3） 和（ 5 × 5） 的 石墨烯超级原胞模拟有机分子高密度吸附和低密度 吸附． 对高密度吸附和低密度吸附分别采用了 Γ 机 制的（ 12 × 12 × 1） 和（ 6 × 6 × 1） 的特殊 K 点． 原子位 置优化方法用共轭梯度法，电子占据用 0.
烟台大学学报（ 自然科学与工程版）
第 26 卷
这解释 了 硝 基 苯 垂 直 吸 附 在 石 墨 烯 衬 底 上 出 现 0. 09% 的晶格缩减的原因． 同时，我们计算得出电荷 转移导致的偶极变化量是 － 0. 10 Debye，和硝基苯 3. 14 Debye 的相对偶极性相比此值可以忽略，所以 垂直吸附作用基本不改变分子的固有极性． 而硝基 苯分子平行石墨烯吸附的时候，没有可见的电荷转 移，吸附分子和衬底之间主要是范德瓦尔斯作用． 由 于吸附分子和石墨烯之间的平均距离和垂直吸附情 况相比小的多，此范德瓦尔斯作用较强致使出现大 的分子吸 附 能，正 是 此 作 用 导 致 石 墨 烯 晶 格 膨 胀 0. 13% ，这和文献［9］中所述的不同． 文献［9］中认
碳纳米管／石墨烯复合结构的第-性原理计算
２ 三峡大学理学 院， ． 湖北 宜昌 ４ ３ ０ ４０２
摘 要 ： 为了研究碳纳米管／ 石墨烯复合结构的电学性质 ， 采用密度泛 函理论 （ Ｆ ） Ｄ Ｔ 下的第一性原理， 对四种 Ｔ型复合结构
进 行 了几何结构优化 ， 分析 了该复合结构 的结合 能 ， 能带结 构 ， 电子态 密度 ， ｕｌ ｅ Ｍ ｌｋｎ电荷分布及 功 函数 。结 果表 明复合结构 ｉ 均表现 出半导体性质 ， 其稳定性及 电子结构取决 于碳 纳米管类型和复合结构 的连接方式 。 而且复合 材料 的功 函数 要低于碳纳 米管， 在场 发射 方面具有潜在的应用价值 。
Ｔ－ ｐ ｔ ｃ ｕ ｅ ｗａ ｏ ｔ ｚ ｄ ｈ ｏ ｇ ｆ ｓ— ｒ ｃｐ ｅ ＤＦ ・ Ａ ｍｅ ｈ ｄ ．Ｅ ｅ ｇ ｂ ｎ ｓ ｃｕ ｅ ，ｂ ｎ ｉ ｇ ｔ ｅ ｓｒ ｔ ｒ ｓ ｙ ｕ ｓ ｐ ｉ ｅ ｔ ｒ ｕ ｈ ｉ ｔ ｉ ｉ ｌｓ ｍｉ ｒ ｐ ｎ ｒ ＧＧ ｔ ｏ ｓ ｎ ｒｙ ａ ｄ ｔ ｔ ｒ ｓ ｉ ｄ ｎ ｕ ｒ
第３ ４卷 第 ６期
２１ ０ １年 １ 月 ２
电 子 器 件
Ｃ ｉｅ ｅＪ ｕ ｎ ｌｏ ｌｃｒｎ Ｄｅ ｉｅ ｈｎ ｓ ｏ ｒａ ｆ ｅ ｔ ｖｃ ｓ Ｅ ｏ
Ｖｏ ． ４ Ｎｏ ６ １３ ． Ｄｅ ． ０ｌ ｃ２ １
Ｆｉｓ － ｉ ｃｐ ｅ ｌ ｕ ａ ｉ ｎ ｏ ｒ ｏ ｎ ｔ ｂ ／Ｇ ｒ ｐ ｅ ｅ Ｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ｒ ｔ Ｐｒ ｎ ｉ ｌ ｓ Ｃａ ｃ ｌ ｔｏ ｆ Ｃａ ｂ ｎ Ｎａ ｏ ｕ ｅ ａ ｈ ｎ ｔｕ ｔ ｒ ｓ
ｒｌ ｉ ｔ ｉｔ ｓａ ｄ ｅ ｃ ｏ ｉ ｓ ｃ ｒｓ ｄｐ ｎ ｎ ｔｅ ｔｐ ｆｃｒｏ ａｏｕ ｅ ｎ ｏｎ ｔ ｅ ｏ ａｂ ｎ ｅａ ｖ ｓ ｂｌｉ ｎ ｌ ｔ ｎｃ ｔ ｔ ｅ ｅｅ ｄ ｏ ｈ ｙ ｅ ｏ ａｂｎ ｎｎ ｔｂｓ ａ ｄ ｊｉｔ ｙ ｆｃｒｏ ｔ ｅ ａ ｉｅ ｅｒ ｒ ｕ ｕ ｐ
石墨烯量子点的制备
石墨烯量子点的制备石墨烯量子点的制备方法主要分为物理法和化学法两种。
物理法是通过物理手段如机械剥离、离子注入等制备石墨烯量子点。
化学法则是以石墨烯为原料，通过化学反应将石墨烯切割成量子点。
在物理法制备石墨烯量子点方面，机械剥离法是最常用的方法之一。
该方法是将石墨烯片材粘贴在聚合物薄膜上，然后将其浸泡在溶液中，通过反复剥离和清洗，最终得到分散的石墨烯量子点。
但是，机械剥离法的产量较低，不适应大规模生产。
化学法制备石墨烯量子点主要包括两种方法：有机合成法和无机合成法。
有机合成法是以有机物为原料，通过加热、加压等手段合成石墨烯量子点。
而无机合成法则是以无机物为原料，通过高温、高压等手段制备石墨烯量子点。
在实验过程中，我们发现石墨烯量子点的生长机制主要是基于分子扩散和表面能原理。
在制备过程中，石墨烯量子点的结构特点受到制备温度、反应时间等因素的影响。
同时，石墨烯量子点的性质也与它的尺寸密切相关。
通过对实验结果的分析，我们发现制备石墨烯量子点的关键在于控制制备温度和反应时间，以获得尺寸均一、分散性好的量子点。
此外，石墨烯量子点的应用研究也正在广泛开展，例如在太阳能电池、生物医学成像和传感器等领域的应用。
总之，石墨烯量子点的制备方法及其研究进展在能源、生物医学、传感器等领域具有广泛的应用前景。
未来，我们需要进一步探索制备高质量石墨烯量子点的优化工艺，为实现其在实际应用中的广泛应用奠定基础。
针对石墨烯量子点的性质和功能展开深入研究，以便更好地发掘和发挥其潜力，促进相关领域的发展和创新。
关键词：石墨烯量子点，制备，传感，成像摘要：石墨烯量子点是一种新型的材料，具有优异的物理化学性能，在传感和成像领域具有广泛的应用前景。
本文主要介绍了石墨烯量子点的制备方法以及在传感和成像领域的应用研究进展。
引言：石墨烯量子点是一种由单层碳原子组成的零维材料，具有优异的电学、光学和化学性能，在光电子、能源、生物医学等领域备受。
近年来，石墨烯量子点在传感和成像领域的应用研究取得了一系列重要的进展，成为了一种新型的纳米生物传感器和成像剂。
石墨烯的研究与应用综述、产业现状
石墨烯的研究与应用综述一、石墨烯的结构与特性石墨烯是碳原子紧密堆积成单层二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是最薄的二维材料，单层的厚度仅0.335nm。
石墨烯可塑性极大，是构建其他维数碳材料的基本单元，可以包裹成零维的富勒烯结构，卷曲成一维的碳纳米管，以及堆垛成三维的石墨等。
石墨烯的理论研究已有60多年的历史，但直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，利用胶带剥离高定向石墨的方法获得真正能够独立存在的二维石墨烯晶体，二人因此荣获2010年诺贝尔物理学奖。
石墨烯具有一些奇特的物理特性：导电性极强：石墨烯中的电子没有质量，电子的运动速度能够达到光速的1/300，是世界上电阻率最小的材料。
良好的导热性：石墨烯的导热性能优于碳纳米管和金刚石，单层石墨烯的导热系数可达5300瓦/米水度，远高于金属中导热系数高的银、铜等。
极好的透光性：石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，并使所有光谱的光均匀地通过。
超高强度：石墨烯被证明是当代最牢固的材料，硬度比莫氏硬度10级的金刚石还高，却又拥有很好的韧性，可以弯曲。
超大比表面积：石墨烯拥有超大的比表面积(单位质量物料所具有的总面积)，这使得石墨烯成为潜力巨大的储能材料。
石墨烯特殊的结构形态，具备目前世界上最硬、最薄的特征，同时具有很强的韧性、导电性和导热性，这些极端特性使其拥有巨大发展空间，应用于电子、航天、光学、储能、生物医药、日常生活等大量领域。
二、石墨烯的制备方法石墨烯的制备方法主要有机械法和化学法2种。
机械法包括微机械分离法、取向附生法和加热碳化硅法；化学法包括外延生长法、化学气相沉积法与氧化石墨还原法。
微机械分离法是直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来，可获得高品质石墨烯，且成本低，但缺点是石墨烯薄片尺寸不易控制，不适合量产；取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯，石墨烯性能令人满意，但往往厚度不均匀；加热碳化硅法能可控地制备出单层或多层石墨烯，是一种新颖、对实现石墨烯的实际应用非常重要的制备方法，但制备大面积具有单一厚度的石墨烯比较困难。
石墨烯论文总结范文
摘要：石墨烯作为一种新型二维材料，具有独特的物理化学性质，在众多领域展现出巨大的应用潜力。
本文对石墨烯的制备方法、特性、应用领域进行了综述，旨在为石墨烯材料的研究提供参考。
一、引言石墨烯是一种由单层碳原子构成的二维晶体，具有优异的力学、电学、热学和光学性能。
自2004年石墨烯被发现以来，其研究取得了显著的进展。
本文对石墨烯的制备方法、特性、应用领域进行综述，以期为石墨烯材料的研究提供参考。
二、石墨烯的制备方法1. 机械剥离法：机械剥离法是制备石墨烯的一种简单、高效的方法。
通过将石墨片在金刚石针尖下进行机械剥离，可以得到单层石墨烯。
2. 化学气相沉积法：化学气相沉积法是一种制备高质量石墨烯的方法。
该方法在高温下将碳源气体在金属催化剂上分解，形成石墨烯。
3. 水热法：水热法是一种制备石墨烯的新技术。
通过将石墨烯前驱体在高温高压下进行反应，可以得到高质量的石墨烯。
4. 微机械剥离法：微机械剥离法是一种基于微机械加工技术制备石墨烯的方法。
通过在石墨烯上施加应力，使其发生剥离，从而获得单层石墨烯。
三、石墨烯的特性1. 优异的力学性能：石墨烯具有极高的强度和韧性，是已知材料中最强的二维材料。
2. 良好的电学性能：石墨烯具有优异的电导率，是已知材料中最高的二维材料。
3. 热学性能：石墨烯具有优异的热导率，可以有效传递热量。
4. 光学性能：石墨烯具有优异的光吸收和光催化性能。
四、石墨烯的应用领域1. 电子器件：石墨烯具有优异的电学性能，可以应用于制备高性能电子器件，如场效应晶体管、晶体管等。
2. 能源存储与转换：石墨烯具有良好的电化学性能，可以应用于锂离子电池、超级电容器等能源存储与转换领域。
3. 光学器件：石墨烯具有优异的光学性能，可以应用于制备高性能光学器件，如光子晶体、光学传感器等。
4. 生物医学领域：石墨烯具有良好的生物相容性，可以应用于生物医学领域，如药物载体、生物传感器等。
五、结论石墨烯作为一种新型二维材料，具有独特的物理化学性质，在众多领域展现出巨大的应用潜力。
第一性原理计算石墨烯综述
第一性原理计算石墨烯综述第一性原理计算综述引言理论计算模拟是除了实验方法外的另一种更好的探究和理解微观物质的内在机理和运动规律手段，对实验的相关结果也起重要的参考和补充作用。
对于纳米尺度上的理论研究，基于密度泛函理论的第一性原理计算是最为常见的方法之一。
第一性原理计算方法中不使用经验参数，只使用光速，电子质量，质子和中子的质量等少数物理参数，通过自洽迭代方法求解薛定谔方程来预测纳米材料的有关结构和特性。
第一性原理方法可以从电子轨道层面准确地模拟和预测材料特性。
同时，结合基于密度泛函理论的分子动力学模拟方法，基本上可以准确地判断和预测材料的结构特性。
这一过程只需要一个基于若干计算机的工作机群内，对大投资的传统实验开发是一个巨大的冲击。
虽然目前第一性原理计算方法的结果与完全精确地物性模拟还有一段距离，但是通过各种理论的修正，可以在一定程度上减小计算误差，提高预测的准确性，这也是目前第一性原理计算所采用的主要处理手段。
可以想象，随着第一性原理计算体系的逐渐完善，它必将作为一个不可缺少的科研工具，在纳米器件的工作平台上作为交互前端出现，承担大部分的设计与预测工作。
理论基础第一性原理计算资源TD-DFT应用实例Hubbard模型和VASP应用实例Hubbard模型是考虑固体中电子短程库仑排斥力的一种非常简化的模型。
这个简化的模型考虑了固体中运动电子量子机理，和电子间的非线性排斥作用。
Hubbard模型在物理的理论研究方面还是一个非常重要的模型。
尽管模型中物理表示非常简化，但却能反映出各种有趣的现象，如金属．绝缘体的相互转变，反铁磁体系，铁磁体系，流体和超导体。
本文中我们利用在紧束缚近似下的Hubbard 模型验证了第一性原理的结果。
计算所采用的软件是VASP，，它使用赝势和平面波基组来进行从头算量子力学分子动力学计算。
离子和电子的相互作用用投影缀加波(PAW)方法来描述。
电子的交换关联采用GGA-PW91泛函。
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第一性原理计算综述引言理论计算模拟是除了实验方法外的另一种更好的探究和理解微观物质的内在机理和运动规律手段，对实验的相关结果也起重要的参考和补充作用。
对于纳米尺度上的理论研究，基于密度泛函理论的第一性原理计算是最为常见的方法之一。
第一性原理计算方法中不使用经验参数，只使用光速，电子质量，质子和中子的质量等少数物理参数，通过自洽迭代方法求解薛定谔方程来预测纳米材料的有关结构和特性。
第一性原理方法可以从电子轨道层面准确地模拟和预测材料特性。
同时，结合基于密度泛函理论的分子动力学模拟方法，基本上可以准确地判断和预测材料的结构特性。
这一过程只需要一个基于若干计算机的工作机群内，对大投资的传统实验开发是一个巨大的冲击。
虽然目前第一性原理计算方法的结果与完全精确地物性模拟还有一段距离，但是通过各种理论的修正，可以在一定程度上减小计算误差，提高预测的准确性，这也是目前第一性原理计算所采用的主要处理手段。
可以想象，随着第一性原理计算体系的逐渐完善，它必将作为一个不可缺少的科研工具，在纳米器件的工作平台上作为交互前端出现，承担大部分的设计与预测工作。
理论基础第一性原理计算资源TD-DFT应用实例Hubbard模型和VASP应用实例Hubbard模型是考虑固体中电子短程库仑排斥力的一种非常简化的模型。
这个简化的模型考虑了固体中运动电子量子机理，和电子间的非线性排斥作用。
Hubbard模型在物理的理论研究方面还是一个非常重要的模型。
尽管模型中物理表示非常简化，但却能反映出各种有趣的现象，如金属．绝缘体的相互转变，反铁磁体系，铁磁体系，流体和超导体。
本文中我们利用在紧束缚近似下的Hubbard 模型验证了第一性原理的结果。
计算所采用的软件是VASP，，它使用赝势和平面波基组来进行从头算量子力学分子动力学计算。
离子和电子的相互作用用投影缀加波(PAW)方法来描述。
电子的交换关联采用GGA-PW91泛函。
在计算哈密顿量时，将电子密度投影到实空间网格中进行积分，与网格密度对应的截断能取为450eV。
结构优化使用共轭梯度（CG）法则将所有原子坐标弛豫，直到每个原子受到的原子力都小于0.02Ev/A。
所有的QDs在法线方向设有足够大的真空区域（>18A）以确保相邻的QDs之间没有相互作用。
在总能量的能带结构的计算中，按照Monkhorst-Pack近似，在布里渊区只考虑G点，K格矢取1×1×1。
能量收敛精度为10−4eV。
在自旋极化计算中，考虑了不同自旋排列以获得基态的磁矩。
为比较上面所提到的BN量子点的稳定性，我们利用第一性原理计算了各个结构的形成能，见表3.1。
从表中数据可以看出以下特性：(1)在富B/N环境下，边缘用氢钝化的Tri-(NH)n-BN-QDs和Tri-(BH)n-BN-QDs在能量上比只有顶角原子被氢化或裸边稳定。
(2)在富B环境下，Tri-(BH)n-BN-QDs比Tri-(NH)n-BN-QDs更稳定，而后者在富B/N环境下有较优的稳定性。
(3)在富B/N环境下，六边形量子点Hex-(BN)n-BN-QDs的形成能与三角形量子点Tri-(BH)n-BN-QDs (或Tri-(NH)n-BN-QDs)的形成能是有可比性的。
这些性质清楚地表明，与裸露边缘的量子点相比，边缘加氢可以大大提高量子点的能量稳定性，因为未配对的σ电子从能量角度上不利于氮化硼量子点的稳定性，这一结论与文献中很好地吻合。
值得注意的是，在富N环境下Tri-(NH)n-BN-QDs中负的形成能意味着高的可操作性。
SIESTA应用实例采用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了zigzag边缘的三角形石墨烯量子点(ZTGQD)／氮化硼(h．BN)双层异质结构，并沿垂直平面方向上施加外电场，通过改变BN衬底的尺寸及电场强度实现对ZTGQD电子和磁学特性的调控。
采用基于密度泛函理论的从头算软件——SIESTA进行理论模拟计算。
这个软件使用标准的Kohn—Sham自洽密度泛函方法。
交换关联泛函采用Perdew．Burke．Emzerhof(PBE)形式的广义梯度近似(GGA)。
价电子与原子实的相互作用采用完全非局域形式的标准模守恒赝势来描述，价电子波函数以双zeta 加极化的基函数(DZP)进行展开。
计算中将电荷密度投影到实空间网格中进行积分来计算自洽的哈密顿矩阵元素，与网格密度对应的截断能为100Rv。
对于ZTGQD，沿平面方向采用周期性边界条件，而垂直平面方向设有足够大的真空区域(>15A)以确保相邻ZTGQD／h-BN异质结构的之间没有相互作用。
为了得到所研究的各个结构的平衡构型，我们使用共轭梯度(Conjugate Gradient，CG)法则将所有原子坐标和超晶胞共同驰豫，直至应力张量的每个元素都低于0．02 GPa，原子力小于O．02 eV／A。
在总能量和能带结构的计算中，按照Monkhorst-Pack近似，对于团簇结构，取(1×1×1)。
施加外电场后，ZTGQD／h．BN双层异质结构的磁学特性发生了改变，如图5．3。
对于ZTGQD有4．0的磁矩，而外加电场为0．1eV时，其磁矩变为3．0，进一步改变外电场大小如O．2eV，0．25eV,1．0eV时，对应的总磁矩变化甚小。
AtomistixTool-Kit (ATK)计算软件包应用实例石墨烯纳米带是一种具有单原子层厚度的纳米材料, 不同手性的石墨烯纳米带表现出不同的电学性质. Zigzag 型的石墨烯纳米带通常为金属型, 而Armchair 型纳米带可能为半导体型或金属型. 石墨烯纳米带的手性特征影响器件的电子输运能力, 我们选取具有Zigzag 边缘(锯齿状边缘的周期数N=11)的石墨烯纳米带构建传感器件. 实验上可以实现对完整石墨烯纳米带进行光刻蚀操作, 得到一定宽度的纳米间隙, 间隙边缘上存在碳原子的悬挂键,不饱的碳悬挂键很不稳定, 容易与周边其他原子结合, 因此用氢饱和纳米间隙上的碳原子悬挂键,避免悬挂键的影响. 图(a, b)分别表示碱基分子单链和单碱基分子通过器件时的俯视图. 器件由左电极、中心散射区、右电极三部分构成, 胞嘧啶、甲基化胞嘧啶以及羟甲基化胞嘧啶分别通过纳米带间隙, 图(c)表示三种不同的碱基分子结构, 中心散射区包含间隙周围的原子以及碱基分子; 电极截取3个石墨的纳米带原胞. 分子器件的总长为3.33 nm,纳米带间隙宽度为1.37 nm, 间隙宽度保证被测分子能够自由地穿过间隙并可以在间隙中自由旋转.对电子输运性质的计算, 采用了密度泛函理论(DFT)和非平衡格林函数(NEGF)的AtomistixTool-Kit (ATK)计算软件包中的两极体系完成. ATK可以模拟实现纳米结构体系和纳米器件的电学性质和量子输运性质, 它使用赝势及分子轨道线性组合的方法计算电子结构, 采用非平衡态格林函数计算在外加偏压下器件的电子输运性质. 本工作中交换关联函数采取LDA, 采用1×1×500 的k 点抽样对应简约布里渊区, Mesh cutoff 取为150 Ry, 混合参数取为0.1, 自洽循环收敛精度为10− Hartree.利用第一性原理计算模拟, 构建了一种石墨烯基纳米间隙生物分子传感器件的理论模型. 研究结果表明, 当碱基分子胞嘧啶、甲基化胞嘧啶和羟甲基胞嘧啶分别通过石墨烯纳米间隙时, 器件的横向电流发生改变, 部分偏压下, 电流信息的差异可以区分三种碱基. 同时, 相邻分子的相互作用以及其构型对器件输运性质有较大影响, 这源于碱基分子的结构及碱基分子与器件耦合作用的差异. 尽管许多其他因素(诸如溶剂效应、稳定性、分子进入构型等)对器件输运性质的影响期待进一步研究, 但目前工作显示, 此类石墨烯基传感器件区分碱基与变异碱基分子的可能性, 为变异碱基在DNA分子链中的准确定位提出了一种可能的检测方法.参考文献【1】Jariyanee, P.; Anton, G.; Biswarup, P.; Rajeev, A.; Ralph, H. S.Nano Lett. 2011, 11, 1941. doi: 10.1021/nl200147x【2】Henk,W.; Postma, C. Nano Lett. 2010, 10, 420. doi: 10.1021/nl9029237 【3】Christopher, A. M.; Ken, H.; Meni,W.; Vishva, R.; Neil, P.; John,B.; Michael, D. F.; Kimberly, V.; Zhengtang,L.; A. T.; Charlie J.;Marija, D. Nano Lett. 2010, 10, 2915. doi:10.1021/nl101046t【4】Meni,W.; Devora, C. K.; Robert, R. J.; Lauren, F.; Jack, B.;Neil, P.; Yu, Z.; Michael, L. K.; Marija, D. J. Am. Chem. Soc.2011, 133, 486. doi: 10.1021/ja107836t【5】William, A. P.; Utz, J. P.; Yun, H.; Hope, R. H.; Ryan, L.;Myunggon, K.; Erin, M. M.;Yevgeny, B.; Sahasransu, M.;Philipp, K.; Mamta, T.; George, Q. D. X.; Shirley, L.; Joseph, R.E.; Patrice, M. M.; Suneet, A.; Anjana, R. Nature Biotechnol.2011, 473, 394. doi: 10.1038/nature10102【6】Yuri, M.; Frank, L.; Mark, H. Nucleic Acids Research 2010, 5,1415.【7】Schadt, E. E.; Turner, S.; Kasarskis. A. Hum. Mol. Genet. 2010,19, R227.【8】Zuzanna, S. S.; Matthew, D. Nature Nanotechnology 2010, 5,697. doi: 10.1038/nnano.2010.198【9】Derrington, I. M.; Butler, T. Z.; Collins, M. D.; Manrao, E.;Pavlenok, M.; Niederweis, M.; Gundlach, J. H. Proc. Natl.Acad. Sci. U. S. A. 2010, 107, 16060. doi: 10.1073/pnas.1001831107【10】Storm, A. J.; Storm, C.; Chen, J. H.; Zandbergen, H.; Joanny, J.F.; Dekker, C. Nano Lett. 2005, 5, 1193. doi: 10.1021/nl048030d【11】Iqbal, S. M.; Akin, D.; Bashir, R. Nat. Nanotechnol. 2007, 2,243. doi: 10.1038/nnano.2007.78【12】Dekker, C. Nat. Nanotechnol. 2007, 2, 209. doi: 10.1038/nnano.2007.27 【13】Wu, M. Y.; Smeets, R. M. M.; Zandbergen, M.; Ziese, U.; Krapf,D.; Batson, P. E.; Dekker, N. H.; Dekker, C.; Zandbergen, H.W.Nano Lett. 2009, 9, 479. doi: 10.1021/nl803613s【14】Taniguchi, M.; Tsutsui, M.; Yokota, K.; Kawai, T. Appl. Phys.Lett. 2009, 95, 123701. doi: 10.1063/1.3236769【15】He, Y.; Scheicher, R. H.; Grigoriev, A.; Ahuja, R.; Long, S.; Huo,Z. L.; Liu, M. Adv. Funct. Mater. 2011, 21, 2674. doi: 10.1002/adfm.201002530【16】邹辉，倪祥，彭盛霖，欧阳俊，陈羽，欧阳方平；石墨烯基生物分子传感器件的第一性原理研究；物理化学学报2013第2期【17】Kohanoff J 2006 Electronic Structure Calculations for Solids and Molecules (Cambridge:Cambridge University Press)【18】Martin R M 2004 Electronic Structure (Cambridge:Cambridge University Press) 【19】Ouyang M, Huang J L, Cheung C L and Lieber C M 2001 Science 292 702 【20】Zolyomi V and Kurti J 2004 Physical Review B 70 085403【21】Rakitin A, Papadopoulos C and Xu J M 2003 Phys. Rev. B 67 03341【22】席岩；石墨烯及类石墨烯量子点结构设计和自旋调控的第一性原理研究；山东大学【23】N．Troullier and J．L．Martins，ehys．Rev．B 43(1991)1993。