缺陷对石墨烯电子结构的影响

由图4(a)可以看出，对于50个碳原子的本征石墨烯超胞，能带带隙为零。以上经过计算的结果与实验室测量结果相符，表明本征石墨烯具有良好的导电性。
在含50个碳原子的石墨烯超胞中，将两个成键的碳原子旋转90°，形成Stone-Wales缺陷，从而得到含Stone-Wales缺陷的石墨烯超胞，结构如图3(b)所示。其计算的能带结构如图4(b)所示。从图4(b)可看出，由于Stone-Wales缺陷的引入，使原本征石墨烯的导带向高能方向移动，移至0．7 eV左右，价带没有发生变化。但在0．5 eV处引入一条新的能带，这条能带是由Stone-Wales缺陷中存在的五元环和七元环所贡献，此能带为Stone-Wales缺陷的缺陷态。该条能带的引入使石墨烯的带隙增至0．637eV。
以50个碳原子的石墨烯超胞为基础，在其中去掉一个碳原子，相邻碳原子相互成键，几何优化后，得到含单空位缺陷石墨烯超胞，结构如图3(c)所示。其计算的能带结构如图4(c)所示，从图中可以看出，由于单空位缺陷的引入，使得本征石墨烯的导带底和价带顶之间引入了两条新的能带，并且导带底向高能方向移动，价带顶同时向低能方向移动，带隙增至1．591 eV，使石墨烯具有半导体性。其中费米能级上方的能带十分平直，局域性很强，应为单空位缺陷结构中九元环上悬挂键产生的能带，而在费米能级下方的能带应为九元环中五边形边缘的碳原子所贡献。这条能带可作为单空位缺陷的缺陷态。
以50个碳原子的石墨烯超胞为基础，在其中去掉两个相邻的碳原子形成双空位缺陷，其稳定构型会形成一个八元环和两个五元环，结构如图3(d)所示。计算得到的能带结构如图4(d)所示，双空位缺陷的引入使带隙增加至1．207 eV，但由于双空位结构不存在含悬挂键的原子，因此没有单空位缺陷的能带结构中由悬挂键贡献的局域态很强的能带，只在费米能级上方产生了一条由五边形和八边形边缘碳原子所贡献的新能带。此能带应为双空位缺陷的缺陷态。
2．2 石墨烯及其缺陷体系的态密度
文中对石墨烯超胞及其缺陷体系进行了态密度计算，其中所有态密度，为了能更好地体现出带隙，均以Smear因子为0．05 eV进行修正。各态密度图中费米能级与能带结构图中情况相符均在零处。