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系統識別號 U0002-0107201322254800
中文論文名稱 硼氮摻雜於石墨烯之非線性能帶研究
英文論文名稱 Nonlinear band gap opening of graphene with boron and nitrogen co-doping
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 物理學系碩士班
系所名稱(英) Department of Physics
學年度 101
學期 2
出版年 102
研究生中文姓名 劉長鑫
研究生英文姓名 Chang-Sin Liou
學號 600210156
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2013-06-24
論文頁數 73頁
口試委員 指導教授-彭維鋒
委員-彭維鋒
委員-薛宏中
委員-陳俊維
中文關鍵字 石墨稀  能隙  吸收譜 
英文關鍵字 graphene  band gap  XANES 
學科別分類 學科別自然科學物理
中文摘要 此篇之研究報告發現石墨烯隨著不同濃度的硼氮原子複合摻雜後產生非線性的能隙開啟,藉由X 光吸收近邊緣結構以及X光發射能譜顯示隨著氮化硼的濃度從0-6%,其有0-0.6 eV的能隙開啟。進一步增加硼氮濃度卻導致能隙明顯下降至無能隙開啟,我們推論此非線性能隙行為是由氮化硼摻雜誘發石墨烯產生區域性電子重新分配的影響大小所產生,這個物理模型的構想藉由對氮化硼結構上的實驗分析以及第一原理計算結果得以證明。
英文摘要 We report here a nonlinear band gap opening of graphene while varies the concentration of the co-doped B-N atoms. Measurements of X-ray absorption near edge structure (XANES) and X-ray emission spectra show an opening of band gap on graphene from 0 to 0.6 eV as the concentration of B-N dopant varying from 0 to 6%. Further increase on the doping level leads to a significant reduction on the band gap value. We demonstrate that such non-linear behavior is attributed to a change of the effect of B-N dopants on the electronic structure of grapheme. An locally redistributed π electronic state change by B-N dopant. The suggested physical picture is confirmed by the performed ab-initio calculation with considering the B-N structures obtained from experiments.
論文目次 目 錄
致謝 Ⅰ
中文摘要 Ⅱ
英文摘要 Ⅲ
目錄 Ⅳ
圖表目錄 Ⅵ
第一章、 緒論 1
1-1. 石墨烯材料簡介 1
1-2. 文獻回顧 3
1-3. 六方氮化硼簡介及其摻雜優勢 5
第二章、 實驗技術 9
2-1. 同步輻射 9
2-2. X光吸收光譜簡介 10
2-2-1. 吸收截面與E0值 12
2-2-2. X光吸收近邊緣結構 13
2-2-3. X光延伸吸收精細結構 14
2-2-4. 實驗方法 19
2-2-5. 數據分析 23
2-3. X光電子能譜(X-ray photoelectron spectra, XPS) 27
2-4. X光發射能譜(X-ray emission spectroscopy, XES) 29
第三章、 實驗數據分析與討論 31
3-1. 樣品製備與量測 31
3-2. 拉曼光譜之振動模式 34
3-3. X-ray photoelectron spectra對樣品的檢測分析 38
3-4. X光吸收近邊緣結構 (X-ray absorption near-edge
structure, XANES 44
3-5. 掃描穿透式X光顯微術 (Scanning transmission
X-ray microscopy, STXM)顯示樣品分布 53
3-6. X光吸收能譜(X-ray Absorption Spectroscopy, XAS)
以及X光發射能譜(X-ray emission spectroscopy,
XES)對能隙的測量 55
3-7. 第一原理對能隙的計算與分析 61
第四章、結論 69
參考文獻 71
圖表目錄
圖1-1石墨烯的結構示意圖 4
圖1-2石墨烯能隙示意圖 4
圖1-3石墨烯摻雜氮化硼不同排列與濃度的模型 7
圖1-4 (a)不同模型的能隙對濃度作圖 8
(b)不同模型的能隙對石墨烯寬度作圖 8
圖2-1 光子能量與銅吸收截面關係圖 11
圖2-2 XANES與EXAFS分界圖 16
圖2-3 光電子平均自由路徑與能量關係圖 16
圖2-4 單一散射與多重散射之圖像(a)為單一散射路程示意圖
(b)為多重散射路程示意圖 17
圖2-5 射出電子受鄰近原子的背向散射,而產生干涉現象
(a)建設性干涉 (b)破壞性干涉 18
圖2-6 X光吸收光譜實驗示意圖 20
圖2-7 三種光譜量測方法 22
圖2-8 X光吸收光譜之數據分析流程 23
圖2-9 XPS 實驗三步驟模型圖 28
圖2-10 (a)-(c)實驗過程示意圖 30
圖2-11 XPS,XES,XAS相關圖 30
圖3-1 (a)成長BCN的進程示意圖 33
(b)成長BCN之溫度與時間關係圖 33
圖3-2樣品拉曼檢測圖 36
圖3-3拉曼顯示摻雜對層數影響 37
圖3-4石墨烯系列樣品XPS全譜圖 39
圖3-5碳原子核層XPS分析圖 41
圖3-6氮原子核層XPS分析圖 42
圖3-7硼原子核層XPS分析圖 43
圖3-8(a) 硼原子 K-edge X光吸收近邊緣結構 46
圖3-8(b) 硼原子π*特徵譜線放大圖 47
圖3-8(c) 硼原子B3強度對樣品濃度作圖 47
圖3-9(a) 氮原子 K-edge X光吸收近邊緣結構 50
圖3-9(b) 氮原子π*特徵譜線放大圖 51
圖3-9(c) Pyridinic和Graphitic對濃度作圖 51
圖3-10以圖形表示樣品的原子結構 52
圖3-11(a – c) STXM空間顯像圖 54
圖3-12(a) C K-edge XANES和C Kα XES圖譜 58
圖3-12(b) 價電帶最大值與導電帶最小值的能隙分析圖 59
圖3-12(c) valence band-PES的分析圖 60
圖3-13 氮化硼摻雜石墨烯的分佈模型 63
圖3-14(a) 硼、碳、氮的個別狀態密度 64
圖 3-14(b) 碳的狀態密度分布圖 65
圖3-14(c) 實驗數據和計算結果的能隙大小比較圖 65
圖3-15 B-N摻雜石墨烯後電子與原子的分布圖 68
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