准一维类石墨烯纳米材料的电子结构与输运性质研究

发布时间：2020-06-08 05:12

【摘要】：随着纳米电子学与分子电子学的飞速发展,由纳米电子器件组成的纳米级电路也向着电路体积更小、集成度更高、效率更高的方向发展,所以对二维纳米材料的性质特出了更高的要求。由于传统的硅材料并不能突破“物理极限”,硅材料已经不跟满足电子器件更高的要求。2004年石墨烯被成功制备出来,以其独特的物理、化学性质引起了凝聚态物理和计算化学领域的高度关注,石墨烯也一度被认为是可以替代传统硅材料在未来成为制备纳米器件的首选材料。但是由于本征石墨烯的带隙为零,极大的限制了石墨烯在电子器件制备方面的应用。近几年,更多的二维纳米材料被发现,并且被成功制备出来,如黑磷。由于实验组发现黑磷这种材料在微纳器件领域的应用存在一个很严重的弱点,就是当黑磷同水,氧气以及光这三种中的两种共同存在时,会发生很快的变性。为了弥补这些二维材料在微纳器件领域的不足,我们可以想办法去改造它们。我们最常见的便是沿不同的晶格方向去剪裁二维层状材料,使其变成一维纳米条带,并具备锯齿边缘和扶手椅边缘,这些在实验中已经有所实现。本文采用解析计算与模拟计算两种不同的方法对黑磷与石墨烯的一维纳米条带的能带结构和电子输运性质进行研究。首先,我们从理论上证明了如何施加应力来调节单层扶手椅型黑磷纳米带和单层锯齿形黑磷纳米带的电子输运性质。通过研究发现,当施加的应力值超过一定的临界值,电子的输运通道将会被阻断。应力的临界值与纳米带的输运方向、宽度以及电子入射能有关,不同的纳米带输运方向、宽度以及不同的电子入射能的选取都会有不同的应力临界值。通过调节费米能级与应力值,电子遂穿通道可以由禁止变为导通。然而,通过对锯齿形黑磷纳米带施加一定的应力,双重简并的拟平坦边缘带会完全劈裂。这些性质为我们控制单层黑磷纳米带结构的输运提供了有效的方法。其次,我们发现了一种可以周期嵌入四八圆环到石墨烯纳米条带中,形成一种新型的类石墨烯纳米条带。这种结构已经在实验中制备出来,并且能在扫描隧道显微镜下观测得到明显的原子结构。这种材料由原本的六元环和加进去的四八元环构成,这样我们沿不同的方向剪切会得到很多不同边界的条带结构。我们主要探究了三种不同边缘的条带结构,主要采用了基于密度泛函理论的第一性原理计算,分别探究了这三种不同边缘条带的电磁学性质,我们发现铁磁态是它们的基态,并会由于边缘剪裁的不同导致展现出不同的电磁学性质,会出现自旋金属和自旋半导体。通过探究不同元环的边界碳原子在不同轨道的投影态密度,我们发现了一个很有趣的事情,六元环未饱和的边缘碳原子是整个条带磁性的主要来源,而八元环未饱和的碳原子是确定费米能级处电子态的主要因素,它是导致金属和半导体的主要原因,并且它也决定了费米能级处的自选劈裂。为了进一步探究它的一般性,我们探究了尺度效应以及量子限域效应对纳米条带的影响,我们计算了三种条带在不同宽度下的自旋极化率,并且着重探究了其中半导体型的条带结构随宽度变化的能带结构变化,我们发现在条带宽度不断加大时,条带能带结构会发生一个半导体向金属的转变,这使得我们通过剪裁不同的边缘以及不同的宽度,就能得到半导体或者金属以及不同自旋极化率的条带结构,这大大为我们探究碳基材料提供了参考和便利。
【图文】：

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．逡逑图２．１迭代算法流程图逡逑Ｓｈａｍ方程的表达式发现它为特征方程并不能直接求解交换关联过找到交换关联能的近似表达式，对近似表达式来求解本征值［交换关联能泛函表达式才是我们求解的关键问题所在，，如何找

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宽度达到较大的取值，在连续介质近似的情况下，黑磷纳米带中的电子输运情况能更精逡逑准的表达出来。逡逑图３．１（ａ）显示单层黑磷的褶皱型原子结构和一些几何参数。这些几何参数的取值是：逡逑１９逡逑
【学位授予单位】：长沙理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1

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