Enhancement of quantum capacitance in graphene electrodes by chemical modifications using aliphatic/aromatic molecules and their radicals
我们对功能化石墨烯的量子电容（C $_Q$）进行了系统的研究。石墨烯的功能化已经通过掺杂不同的脂肪族和芳香族分子及其自由基来完成。利用密度泛函理论计算，我们首先分析了功能化石墨烯的电子能带结构，随后得到了每个体系的量子电容。我们观察到通过在石墨烯片上掺杂脂肪族和芳香族分子及其自由基可以提高量子电容，特别是自由基功能化的石墨烯在C $_Q$中表现出显著的增强。我们的理论研究表明，芳香族和脂肪族自由基产生的费米能级附近的局域态密度，由于电荷本地化。结果，与原始石墨烯相比，已经估计了非常高的量子电容（高于200 $μF/cm^2$）。原子位错和空位缺陷在功能化过程中对石墨烯的影响也被纳入我们的研究。研究结果表明，在石墨烯功能化的同时形成分子自由基是合成高效石墨烯基超级电容器电极材料的有效途径，进而可以显著提高超级电容器的性能。
2019-12-18 cond-mat.mtrl-sci
Sign reversal of Hall conductivity and quantum confinement in graphene ribbons
窄的带状物具有锯齿形和扶手椅形的边界，显示出非常不同的霍尔电导率特性。结果表明，扶手椅型薄带的能谱中存在多带交叉，交叉的数目与薄带的宽度有关。从理论上讲，它是预测，电导率表现出激烈的符号反转窄带的费米能量扫过带交叉。根据扶手椅带的能谱中只出现奇数扶手椅带的平带，提出了扶手椅带的一种新分类。分析了在石墨烯片的限制下，霍尔电导率跃变到台阶状平台的演化和范霍夫奇点处态密度的恢复。
2009-04-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Negative Poisson's Ratio in Single-Layer Graphene Ribbons
泊松比表征了材料在纵向变形下在横向方向上的合成应变。虽然负泊松比（NPR）理论上在连续弹性中是可能的，但它们最常在工程材料和结构中观察到，因为它们不是许多材料的固有特性。在这项工作中，我们报告了单层石墨烯带中的NPR，这是由边缘压缩应力引起的边缘翘曲引起的。该效果是稳健的，因为对于宽度小于约10 nm的石墨烯带和小于约0.5%的拉伸应变观察到NPR，其中NPR值达到大至-1.51。使用斜板模型，这是能够预测的泊松比为任意大小的石墨烯片的NPR解析解释。斜板模型表明，NPR是由宽度（散装属性）之间的相互作用，和边缘的翘曲幅度（边缘属性），这最终产生一个相图确定的泊松比的符号作为石墨烯几何形状的函数。
2016-04-14 cond-mat.mtrl-sci
A model of large volumetric capacitance in graphene supercapacitors based on ion clustering
双电层超级电容器是基于离子可逆吸收到多孔导电电极中的用于高功率能量存储的有前途的装置。石墨烯由于其高导电性和大表面积而成为超级电容器中电极材料的特别好的候选者。在本文中，我们考虑由一堆石墨烯片与随机插入的“间隔”分子制成的超级电容器电极。我们发现，实验中观察到的大于100 F/cm ^3的大体积电容可以理解为离子集体嵌入石墨烯堆以及石墨烯电子的非线性屏蔽的结果，石墨烯电子使离子团簇的电荷重正化。
2011-09-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Nano-Engineering Defect Structures on Graphene
我们提出了一种新的方法，纳米工程石墨烯使用缺陷域。这些区域具有不同于通常的蜂窝晶格的环状结构，尽管每个碳原子仍然有三个最近的邻居。利用密度泛函理论（DFT）确定了一组稳定的畴结构，包括水泡、脊、带和亚晶。所有这些结构都是由碳组成的，最小的只有16个原子。气泡、隆起和变晶从薄片中升起，而带状物保持平坦。在空位附近，形成的反应势垒足够低，这样的缺陷可以通过热激活重组的聚结吸附原子合成。
2008-09-23 cond-mat.mtrl-sci
Electrostatics of Graphene: Charge Distribution and Capacitance
采用原子电荷-偶极相互作用本构模型和拉普拉斯方程的近似解析解，研究了石墨烯中净电荷的分布。我们证明了一个强大的尺寸依赖性的电荷分布在有限尺寸，无限长和多层矩形石墨烯片，分别。我们发现，在石墨烯的几何边缘，电荷密度可以自然地增强高达13倍。当石墨烯的长度或宽度增加时，这种边缘电荷增强效应变得更加显著。发现电荷增强比与层数成线性关系。这些结果可以用来理解新的实验观察到的二维纳米结构中的电子发射，电荷杂质和化学掺杂现象。
2009-09-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Charging of graphene by magnetic field and mechanical effect of magnetic oscillations
我们讨论了石墨烯基器件的量子电容导致其电荷密度在外部磁场变化下发生变化，电荷守恒，但重新分布到衬底或其他石墨烯片上。推导了理想石墨烯在强磁场中电荷重分布的精确解析表达式。当我们考虑杂质和温度时，影响减小，公式简化为标准的量子电容表达式。强调了量子电容在势场Casimir力实验中的重要性，提出了原子力显微镜技术在态密度测量中的应用。
2013-07-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Gate electrostatics and quantum capacitance in ballistic graphene devices
我们实验研究了具有不同边缘无序度的门控、窄、弹道石墨烯器件的电荷感应机制。通过使用磁导测量作为探测技术，我们证明了具有大边缘无序的器件在整个器件通道中表现出几乎均匀的电容分布，接近于无限大石墨烯片的情况。相比之下，具有较低边缘无序（< 1 nm粗糙度）的器件受到石墨烯边界处的边缘静电场的强烈影响，与原始系统的理论计算定量一致。具体而言，具有低边缘无序的器件呈现出跨器件通道的大的有效电容变化，其具有非平凡的、不均匀的轮廓，这不仅是由于经典静电，而且还由于量子力学效应。我们表明，这种量子电容的贡献，发生由于在外部磁场的存在下，在整个设备的低密度的状态（DOS），是相当大的改变，作为在弹道石墨烯设备的栅极静电的结果。我们的结论可以推广到任何二维（2D）电子系统所限制的硬壁势和重要的理解导电2D材料的电子结构和器件应用。
2019-05-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Mechanical Manipulation of Graphene Auto-Kirigami with an AFM tip
提出一种基于AFM的压痕与硬敲击方法，实现石墨烯自折纸带的成核、操控和动态成像，适用于常规AFM，有望用于NEMS器件。
2026-06-29 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Quantum Size Effects in the Atomistic Structure of Armchair-Nanoribbons
采用密度泛函理论（DFT）在Kohn-Sham公式下研究了氢封端的扶手椅型石墨烯纳米带（AGNR）的量子尺寸效应.将制定“选择规则”，其允许从四个石墨烯分散片开始提取（近似地）AGNR带的电子结构。与碳纳米管的情况类似，三倍的周期性的激发间隙与带状宽度（N，每碳片的碳原子数）的预测是由从头计算结果证实。虽然传统上这种周期性会在电子响应实验中观察到，但本文提出的DFT分析表明，它也可以在带状几何形状中看到：具有L个切片的带状物的长度接近非常大的宽度1 << N的极限值（保持纵横比小N << L），具有显示电子选择规则的1/N振荡。振荡幅度如此之强，以至于渐近行为是非单调的，即，较宽的带比较窄的带具有更强的伸长。
2011-11-15 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Electronic properties of graphene nanoribbons under gate electric fields
采用密度泛函理论，考虑栅电极电场的影响，计算了石墨烯纳米带（GNR）中的量子点态.场平行于GNR平面，并且由放置在带顶上的不均匀电荷片产生。改变电场可以观察到GNR态的发展和带隙中局部量子点状态的形成。计算已进行扶手椅GNR和扶手椅带锯齿形截面。对于扶手椅GNR，静态介电常数ε约为。四是可以确定。
2012-09-24 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Creating and probing wide-bandgap nanoribbon-like structures in a continuous metallic graphene sheet
石墨烯单分子层的类光色散特性使其具有许多新颖的电子学特性1，但这种无间隙的特性也限制了石墨烯单分子层在数字电子学中的应用2。在石墨烯单层中产生适度带隙的一种罕见的工作解决方案是将其切割成一维（1D）纳米宽的带3 -13。在这里，我们表明，宽带隙可以在一个独特的一维应变结构，即，通过石墨烯和金属基底之间的强相互作用，而不是切割石墨烯单层，可以制备出连续石墨烯片的石墨烯纳米颗粒状（GNR状）结构。利用热应变工程技术在铑箔上生长的连续石墨烯片中观察到宽度仅为几纳米的类GNR结构。空间分辨扫描隧穿光谱揭示了在另外连续的金属石墨烯片中GNR样结构中几百meV的带隙开口，直接证明了完全在石墨烯单层中实现金属-半导体-金属结。我们还表明，它是可能的定制的GNR类结构的结构和电子性质，通过使用扫描隧道显微镜。
2015-12-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Electronic and transport properties of kinked graphene
已知石墨烯片的局部曲率或弯曲增加了化学反应性，为模板化化学官能化提供了机会。利用基于密度泛函理论的第一性原理计算，研究了氢原子在石墨烯线性弯曲处吸附反应势垒的降低.我们发现一个显着降低（15%）的实际曲率半径（20），并沿线性弯曲的吸附导致一个稳定的线性扭结。我们计算了单个和多个扭结线的电子输运性质，并演示了这些作为电子输运的有效屏障。特别地，两个平行的扭结线形成具有与相应的隔离带密切相关的半金属/半导电电子结构的石墨烯伪纳米结构;带带隙转化为用于跨扭结线传输的传输隙。最后，我们考虑基于伪带的异质结构，并提出这种结构提出了一种新的方法，在纳米结构的石墨烯带隙工程。
2013-01-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Exceptional ballistic transport in epitaxial graphene nanoribbons
在过去的十年里，石墨烯电子学推动了石墨烯科学的发展。主要目标是开发具有足够大的带隙的高迁移率半导体石墨烯以用于高性能应用。石墨烯带被认为是具有这些特性的半导体，然而，生产具有有用的带隙和高迁移率的带的努力取得了有限的成功。我们在这里表明，高质量的外延石墨烯纳米带40纳米宽，退火的边缘，侧壁SiC上生长的不是半导体，但单通道室温弹道导体的长度高达至少16微米。已经观察到对应于低于1欧姆的薄层电阻的超过一百万的迁移率，从而超过二维石墨烯3个数量级，并且超过完美石墨烯的理论预测10倍以上。石墨烯带表现为电子波导或量子点。我们发现，在这些带中的运输是由两个组件的基态横向波导模式，一个是弹道和温度无关，和第二热激活组件，似乎是弹道在室温下和绝缘在低温下。在室温下，两种组分的电阻随着长度的增加而突然增加，一种在160 nm的长度处，另一种在16微米处。这些性质似乎与电荷中性带中的最低能量量子态有关。由于外延石墨烯纳米带易于以数千计生产，因此它们的室温弹道输运性质也可用于先进的纳米电子学中。
2013-08-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Graphite based Schottky diodes formed on Si, GaAs and 4H-SiC substrates
我们证明了半金属石墨/半导体肖特基势垒的形成，其中半导体是硅（Si），砷化镓（GaAs）或4 H-碳化硅（4 H-SiC）。在室温附近，正向偏置二极管的特性很好地描述了电子发射，和提取的势垒高度，这是由电容电压测量确认，大致遵循肖特基-莫特关系。由于石墨电极的最外层是单个石墨烯片，我们预计石墨烯/半导体屏障将表现出类似的行为。
2009-10-04 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Do specific ion effects influence the physical chemistry of aqueous graphene-based supercapacitors? Perspectives from multiscale QMMD simulations
特定的离子效应是否决定了水性石墨烯和石墨基超级电容器的电荷存储特性仍然是一个备受争议的话题。在这项工作中，我们提出了一个多尺度量子力学经典分子动力学调查的水溶液中的一元和二价盐电解质与完全极化带电石墨烯片。通过计算电化学双电层和量子电容，我们观察到一个恒定的电极比电容与阳离子半径和电荷。与直觉相反，我们确定阳离子吸附机制从内部到外部亥姆霍兹层的切换导致EDL电容的变化可以忽略不计，这似乎是由于石墨烯电极的稳健电子结构。然而，具有相对低的水合自由能的离子（如K+）穿透内亥姆霍兹平面并直接吸附在电极表面上的能力被发现减缓了它们平行于界面的扩散。外亥姆霍兹层中的离子被发现具有较高的扩散率在表面处，由于它们的位置在水层之间的离子通道。我们的研究结果表明，表面效应，如表面极化和部分脱水和局部结构的离子在表面上的阳离子的界面处的行为的基础上，并添加了一个重要的新的视角下看到的约束离子迁移率的趋势。
2022-11-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Vibrations and tunneling of strained nanoribbons at finite temperature
本研究利用分子动力学方法，探究了双端固支石墨烯纳米带在有限温度和应变下的中点动力学，建立了描述其在双阱势中隧穿与振荡的有效理论，揭示了其非平庸的动态临界性及在纳米致动器中的应用潜力。
2023-05-11 cond-mat.mtrl-sci
A wide band gap metal-semiconductor-metal nanostructure made entirely from graphene
生产可扩展的数字石墨烯电子产品的蓝图仍然难以捉摸。目前生产金属化石墨烯网络的方法都受到严格的光刻要求的影响，这些要求阻止了石墨烯的再现性、工艺诱导的无序或可扩展性问题。使用角分辨光电发射，我们已经发现了完全由石墨烯制成的独特的一维金属-半导体-金属结，并且在没有化学功能化或有限尺寸图案化的情况下产生。当石墨烯在SiC上生长时，在这种情况下，当石墨烯被迫在图案化的SiC台阶上生长时，通过利用固有的原子有序的衬底-石墨烯相互作用来产生结。这种可扩展的自下而上的方法使我们能够生产半导体石墨烯带，其宽度精确地定义在几个石墨烯晶格常数内，完全超出现代光刻限制的精度水平。在这项工作中展示的架构是如此强大，在平均电子能带结构的数千个这些图案化的带的变化有几十微米长的长度尺度上几乎没有变化。半导体石墨烯具有拓扑定义的几纳米宽的区域，其能隙在另外连续的金属石墨烯片中大于0.5 eV。这项工作展示了石墨烯-基底相互作用如何可以作为一种强有力的工具来可扩展地修饰石墨烯的电子结构，并开辟了石墨烯电子学研究的新方向。
2012-10-19 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
