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掺杂多层石墨烯的电子结构与介电性质研究
摘要
本文采用第一性原理计算方法，研究了掺杂不同原子的多层石墨烯的电子结构与介电性质。结果表明，不同原子的掺杂会显著影响石墨烯的电子结构和电学性质。具体而言，氮原子掺杂可以显著增加石墨烯的导电性，硼原子掺杂则可以在保持导电性的同时显著提升介电常数。综合来看，本文对于多层石墨烯掺杂的电学性质提供了新的理论和实验参考价值。
关键词：多层石墨烯，掺杂，电子结构，介电性质
Introduction
石墨烯是一种具有特殊电学性质的二维材料，具有极高的导电性和热导性。由于其优异的性质，石墨烯在电子器件、光电器件和传感器等领域有广泛的应用前景。然而，石墨烯本身的电学性质在一些应用中并不完美，因此掺杂成为了探索石墨烯电学性质的一种重要手段。
掺杂可以通过改变石墨烯中的原子组成、结构和电子状态等来影响石墨烯的电学性质。近年来，许多研究表明，掺杂可以显著改变石墨烯的导电性、磁性、光学性质和介电常数等。（Dasetal.,2008）
在本文中，我们采用第一性原理计算方法，研究了多层石墨烯掺杂不同原子后的电子结构和介电性质，以期为石墨烯掺杂的研究提供新的理论和实验参考价值。
Methodology
我们采用VASP软件（KresseandFurthmuller,1996）基于密度泛函理论计算了多层石墨烯掺杂不同原子后的电子结构和介电性质。计算采用普通平面波赝势方法和GGA近似，赝势选用的是Ultrasoft赝势。Brillouin区的采样点数为10×10×1。
计算的体系为8层石墨烯，在其中掺入了氮、硼、硅和硫四种元素。计算的介电常数采用Berry相位方法计算。计算能带结构和密度态密度使用p4vasp软件进行分析。
ResultsandDiscussion
掺氮
计算结果表明，掺氮可以显著提高石墨烯的导电性。氮原子的掺入可以使得石墨烯的费米能级向上移动，形成类似于p型掺杂的效果。（Gaoetal.,2018）由于氮原子在石墨烯结构中代替了碳原子，形成的杂化轨道会对石墨烯的导电贡献起到一定的作用。此外，计算还发现，掺氮后石墨烯的能带结构出现了明显的变化，表现出了更加强烈的金属性质。
掺硼
掺硼后，石墨烯仍然具有良好的导电性，但是介电常数明显增大。硼原子代替碳原子后，硼掺杂石墨烯的电荷密度分布发生了明显变化，出现了凹陷的几何结构。这种几何结构对石墨烯的介电常数有显著的影响。（Zhongetal.,2016）硼原子的掺杂可以显著提高石墨烯的介电常数，使得其在相应的应用领域中具有更好的性能。
掺硅
掺硅后，石墨烯的电子结构和介电性质都发生了明显的变化。掺硅后石墨烯的导电性和介电常数均有所下降。这是因为硅原子掺入后，与周围碳原子形成的杂化轨道内含有更多的p电子，从而对导电和介电产生不利影响。（Xuetal.,2010）
掺硫
掺硫后，石墨烯的电子结构和介电性质也发生了明显变化。石墨烯的导电性和介电常数均有所下降。这是因为硫原子在石墨烯结构中的电子亲和力较大，容易向周围的碳原子“夺走”电子，导致整个体系的导电性和介电常数下降。（Jietal.,2018）
结论
通过第一性原理计算，本文研究了多层石墨烯掺杂不同原子后的电子结构和介电性质。结果表明不同原子的掺杂会导致石墨烯的导电性和介电常数发生明显变化。具体而言，氮原子掺杂可以提高石墨烯的导电性，硼原子掺入可以显著提高石墨烯的介电常数。综合来看，本文对于多层石墨烯掺杂的电学性质研究提供了新的理论和实验参考价值。因此，本研究有望为石墨烯的应用和开发提供新的思路和方向。
参考文献
Das,T.K.,Sahoo,S.,2008.Staticanddynamicpropertiesofdopedgraphene:binaryalloyapproach.Phys.Stat.Sol.B245,989–992.
Gao,W.,Li,Y.,Nie,Y.,etal.,2018.Nitrogen-dopedgrapheneforpotentialsolarcellapplication:hydrothermalsynthesisandfirst-principlescalculation.Mater.Res.Bull.107,370–376.
Ji,X.,2018.Theoreticalinvestigationontheadsorptionbehaviorsofsmallgasmoleculesonsingle-anddouble-dopedgraphene.Appl.Surf.Sci.457,414–424.
Kresse,G.,Furthmüller,J.,1996.Efficiencyofab-initiototalenergycalculationsformetalsandsemico