硅碳烯纳米带的电子结构及电场效应的理论研究

发布时间：2017-10-12 22:03

  本文关键词：硅碳烯纳米带的电子结构及电场效应的理论研究

  更多相关文章： 硅碳烯 密度泛函理论 第一性原理 电子结构 自旋密度 电场效应

【摘要】：材料是人类文明进步的标志,是科学技术进步的基础和先导,而纳米材料是当今世界重大科技决策的必然选择。随着凝聚态物理和纳米材料领域的重要进展,半导体微结构、高温超导HTS材料、新型热电材料与温差发电、光子晶体以及其他新材料正在逐渐兴起。而其中的硅碳烯纳米材料正属于当前研究的热点,同时也面临着巨大的机遇和挑战。由于其具有优异的热物理性质,因此便于制备高温高功率的应用。由于其具有的宽带隙,因此在研究光学和电学结构方面是个热门领域。本文的研究采用CASTEP软件包和模守恒赝势下的第一性原理计算方法,建设超薄的超胞模型,以密度泛函理论为基础对硅碳烯纳米带的电场效应能带结构以及硅碳烯纳米带的色散曲线和声子振动谱进行了系统的研究。研究的有如下内容:首先采用平面波赝势方法第一性原理对硅碳烯纳米带进行几何结构优化和电子结构计算。研究三种窄锯齿形硅碳烯纳米带,分别为2ZSi CNR、3ZSiCNR和4ZSiCNR。在计算电子结构时,选择不同电场强度,分别计算其自旋极化、能带结构和态密度。具体研究了锯齿型硅碳烯纳米带的边缘结构对能带,特别是费米面附近的导带和价带电子的影响,计算了三种不同宽度的硅碳烯纳米带的能带及费米面附近不同自旋的电子在原胞中的分布情况。结果显示宽度对费米面附近不同自旋的电子分布的影响不同,并且考虑2ZSiCNR带隙宽度随所加电场增大而减小,3ZSiCNR和4ZSi CNR结构加自旋后在费米面附近发生自旋退简并,体现自旋半导体性质,加正向电场能带自旋分开发生劈裂,加反向电场带隙增大,说明锯齿形硅碳烯纳米带内部存在自建电场。其次,利用密度泛函微扰理论计算出硅碳烯烯纳米带的声子振动谱和相关的声子色散曲线。根据观察声子的色散曲线以及声子的态密度,这些特征频能够判断硅碳烯纳米带结构的稳定性。最后,对本论文的研究工作进行总结。硅碳烯纳米带内部的自建电场会抵消或增强外部电场的影响。硅碳烯带隙较大,表现为半导体性,而一维硅碳烯纳米带带隙随宽度变化,进而产生电场效应。硅碳烯纳米带的这些独特性质可以用于功能器件设计和超级电容的应用。
【关键词】：硅碳烯 密度泛函理论 第一性原理 电子结构 自旋密度 电场效应
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O469;TB383.1
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 主要符号说明10-11
• 第一章 绪论11-23
• 1.1 硅碳烯概述11-13
• 1.1.1 硅碳烯的特性11-12
• 1.1.2 硅碳烯的结构12-13
• 1.2 硅碳烯的制备方法13-17
• 1.2.1 模板生长法13-14
• 1.2.2 化学气相沉积法14-15
• 1.2.3 电弧放电法15
• 1.2.4 溶胶-凝胶法15-16
• 1.2.5 碳热还原法16
• 1.2.6 溶剂热法16-17
• 1.3 碳化硅一维纳米材料的性质17-19
• 1.4 碳化硅一维纳米材料的研究现状及其应用前景19-21
• 1.5 主要研究内容21-23
• 第二章 计算方法23-29
• 2.1 密度泛函理论23-26
• 2.1.1 赝势方法23
• 2.1.2 第一性原理23-24
• 2.1.3 广义梯度近似24
• 2.1.4 局域密度近似24
• 2.1.5 Hohenberg-Kohn定理24-25
• 2.1.6 Kohn-Sham方程25-26
• 2.2 计算软件26-27
• 2.3 计算流程27-29
• 第三章 硅碳烯纳米带的电场效应29-37
• 3.1 引言29
• 3.2 模型和参数29-31
• 3.3 计算结果分析31-35
• 3.3.1 2ZSiCNR的电场效应31-32
• 3.3.2 3ZSiCNR的电场效应32-33
• 3.3.3 4ZSiCNR的电场效应33-35
• 3.4 本章小结35-37
• 第四章 硅碳烯纳米带稳定性的理论研究37-43
• 4.1 引言37
• 4.2 计算模型和参数37-39
• 4.3 计算结果与分析39-41
• 4.3.1 2ZSiCNR、3 ZSiCNR、4ZSiCNR的声子振动模式39-41
• 4.4 本章小结41-43
• 第五章 总结和展望43-45
• 参考文献45-51
• 致谢51-53
• 硕士阶段科研成果53

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本文编号：1021143