低维薄膜材料的第一性原理研究

发布时间：2020-07-08 14:03

【摘要】：低维薄膜材料为新型半导体器件的设计开发提供了丰富的资源。目前,在固体表面进行有机分子自组装已被证明是制备此类低维纳米结构的一种有效方法。有机分子自组装薄膜能通过表面/界面效应对半导体表面进行功能修饰,或者其本身就是良好的半导体材料。而且由于具有易于控制,可定制材料以满足特定功能需求等优点,以及在半导体材料的性能调控上具有很高的灵活性,因而有机分子自组装薄膜在半导体器件方面有着广泛的应用前景。除了有机分子自组装薄膜材料以外,二维材料及其衍生的范德瓦异质结和纳米带材料也可视为一类低维薄膜材料。通常二维材料由于晶体维度的下降和对称性的改变往往展现出异于体相的光,电,磁,热,力学等独特的物理化学性质,故受到研究者的广泛关注和研究。而近年来基于密度泛函理论的第一性原理方法在此领域取得了很多重大的研究进展,特别是对新型二维材料的结构与性质的预测。本论文基于密度泛函理论对两类低维薄膜材料:CoPc/Bi(111)吸附体系与一维碲纳米带材料进行了第一性原理研究,主要针对几何构型和电子结构性质等方面的研究。第一章首先介绍了与低维薄膜材料联系密切的表面科学学科,其中重点叙述了表面/界面效应的概念与应用。此外对分子自组装薄膜材料和二维材料的的研究状况和应用作一个概述。第二章主要介绍了密度泛函理论基础和方法。主要包括Hohenberg-Kohn定理和Kohn-Sham方程,以及密度泛函理论的核心问题:交换关联泛函,接着介绍了近几年发展的几种范德华修正方法。最后我们还介绍了常见的基于密度泛函理论的计算软件包。第三章主要利用第一性原理计算以及结合光电子能谱方法研究了CoPc/Bi(111)吸附体系的电子性质。首先进行吸附能的计算以确立CoPc/Bi(111)吸附体系的最稳定吸附构型。计算了CoPc分子吸附前后的电子态密度以及差分电荷密度和Bader电荷并进行了相应分析,以揭示界面的电子结构和电荷转移机制。最后结合光电子能谱方法对计算结果进行了验证。第四章利用第一性原理计算研究了单层与双层碲纳米带的结构稳定性与电子结构性质。首先计算碲纳米带的形成能,以确定影响其热力学稳定的因素。接着计算了各类型碲纳米带的能带结构并进行了相应的分析。第五章对本论文的主要工作进行了总结并提出展望。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海应用物理研究所)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.2
【图文】：

衬底,分子自组装,结构重组,相互作用

在固体表面上进行分子自组装受到分子与分子，吸附分子与衬底之间微妙的相互作用。其中分子间的相互作用属于具有非共价键特征的弱相互作用，如氢键、vdW 力、偶极-偶极相互作用，π-π 相互作用，其复杂程度远大于原子晶体中原子间的共价键相互作用[6]。这种非共价键的弱相互作用力使得自组装体系处于一个平衡状态，保证了结构的稳定性。此外，由于衬底的存在，分子自组装薄膜的物理和化学性质很大程度受到薄膜与衬底界面的相互作用的影响。例如Tzu-Chun Tseng 等人发现，在金属表面与四氰基对醌二甲烷分子层之间的界面上的电子转移，会导致界面的有机分子和金属表面产生实质性的结构重组，而这些结构重组又会通过新形成的应力场来调节的分子间相互作用[7]。总的来说，分子与分子，吸附分子与衬底之间的这种协同的相互作用，决定了分子的排列方式，进而决定了薄膜的宏观构型。这为分子自组装薄膜的制备提供了多样的调控手段，如改变分子的构筑单元，衬底表面的化学成分和原子结构以及衬底温度等等。

二维材料

第 1 章绪论22]。不限于由单质元素组成的二维材料，对于其它具有层状结构的二合物，如过渡金属二硫族化合物(Transition Metal Dichalcogenides, TM金属碳（氮）化物(MXenes)等，它们的单层结构也逐渐被发现或合成到目前为止，已形成了一个种类繁多的庞大二维材料家族（如图 1.2]，且随着实验条件的快速发展，将会有新的二维材料成员不断地加维材料涵盖了从范德华固体、绝缘体到半导体再到金属，甚至是超导此，相比于体相材料，这些二维纳米材料，具有超高的比表面积，使率大大提高。同时超薄的厚度赋予了它们很强的电子性能、机械灵活等优点。所有这些使得二维材料有着前所未有的应用潜力。

纳米带,电子性质,石墨,性能

石墨烯纳米带是最典型的例子，沿互相垂直的两个方向切割可以得到扶手椅型(Armchair)和锯齿形(Zigzag)的纳米带。理论和实验研究发现扶手椅型纳米带是一个半导体，且带隙与宽度成反比关系（见图 1.3(a)的左侧）[27, 28]。在其它二维材料的纳米带，如磷烯纳米带，也发现类似的比例关系[29]。而锯齿形纳米带则具有磁性，表现出单边铁磁性，双边反铁磁耦合的独特性质（见图 1.3(a)的右侧）[28]。有趣的是，如图 1.3(b)所示，在外加电场的作用下，锯齿形纳米带表现出半金属的特性[30]。类似地，h-BN 纳米带的电子结构和输运性质能够通过外加电场进行调节[31]。因此，对于半导体或绝缘体的纳米带，外加电场实现对其电子性质进行调控的一致简易有效手段。总的来说，二维材料的纳米带由于存在边缘电子态，呈现异于本征二维材料的电子性质，因而为探索新型半导体材料提供了丰富多样的选择。

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