1．目的及意义

目的：以此次将利用第一性原理方法，研究石墨烯纳米片和金属电极所构成的分子器件的输运性质，特别是对电子特性以及能隙变化进行计算分析。由于2D 石墨烯是无带隙的半金属，这严重限制了它的电子学应用，对于石墨烯的未来半导体技术的实际应用，它的带隙应是灵活可调的有限值^[1][2]，这就提出了一个问题：如何将石墨烯功能化并使其产生丰富的带隙？

意义：由于完整石墨烯平面内 π 轨道的存在，电子可以在晶体中移动，这就使得石墨烯具有卓越的电子传输性能，可被广泛应用于超导材料。石墨烯系统有着无与伦比的高电子迁移率，比目前广泛使用的半导体硅的电子迁移率还要高出两个数量级。由于其独特的电子结构以及大的比表面积，研究证明石墨烯具有很强的场发射能力，随后的研究进一步证明了石墨烯复合材料是很好的场发射材料^[3]。通过第一性原理对石墨烯纳米电子特性及能隙变化的计算分析，能够对石墨烯结构的多样性、电学性质的复杂性、去寻找和发现一些普遍的规律，由于现在的元器件效率是非常低的，所以如何利用结构更稳定、性能更优越的新型纳米功能材料来解决这些问题是令人期待的。

国内外发展现状：石墨烯现在能够广泛应用于各个反面，但依旧会有很多难题。其中在结构功能一体化复合材料中，石墨烯具有较高的杨氏模量和本征强度，可以利用调控石墨烯的界面性质，如亲疏水性，用于提高聚合物材料的力学性能及耐磨性能等。但是结构完整的石墨烯表面能较低，与其他介质的相互作用较弱，很难与其他有机或无机材料均匀地复合^[4]。因此，石墨烯应用在复合材料领域未来的发展方向是，通过共价键功能化，获得特定表面性质的石墨烯产品，解决石墨烯在复合材料中的分散和界面相容性问题；在半导体信息产业中，石墨烯的导电、导热性能远超硅和其他传统的半导体材料，随着集成电路制造技术的不断改进，由硅制成的晶体管大小正接近极限（15nm甚至10nm以下），而石墨烯有望取代硅成为新一代电子元器件材料。但石墨烯是零禁带材料，以此作为沟道的晶体管很难被关断，因此，石墨烯晶体管获得较高的开关比率一直难以实现^[5]。未来的发展方向主要是研发通过掺杂取代晶格结构中的碳原子、构建多维纳米结构或形成异质结等方法，克服零禁带问题，以实现高的开关比^[6]。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究的基本内容

随着计算机科学计算能力的持续増运用基于第一性原理密度泛函理论的计算软件来模拟计算石墨烯已成为了科学研究石墨烯的重要手段。石墨烯的理论研巧主要通过建立特殊结构的石墨烯模型，然后计算分析所建模型的特性^[7][8]。基于石墨烯的低维纳米结构也被大家广泛关注。而石墨烯纳米带就是其中最为关注的结构之一。2D石墨烯不仅可以剪裁成1D石墨烯纳米带，而且还可以得到0D的纳米片，由于这种纳米片结构简单，电子特性突出，目前已得到广泛的研究^[9][10]。纳米电子学的一个主要目标是通过在纳米尺度上利用独特的属性物质不断小型化器件大小。

1. 利用第一性原理方法，研究石墨烯纳米片和金属电极所构成的分子器件的输运性质，特别是对电子特性以及能隙变化进行计算分析

2. 通过计算石墨烯纳米结构研究石墨烯纳米带的力学性能与其边界的原子形貌的关系^[11]。

3. 研究C元素的石墨烯结构，计算能带结构或价带结构的能级，得到微观物理参数的计算结果。