二维纳米材料结构、光学和压电性质的理论研究

发布时间：2020-08-07 01:40

【摘要】：在这个科技日新月异的时代,新材料的发现会极大地促进经济的迅猛发展,很多尖端制造领域的发展都和材料领域的每一次突破息息相关。石墨烯出现后,材料界掀起了一场探索二维材料的热潮,探索和调控二维材料的物化性质成为低维纳米材料领域的主要研究方向。常规的实验方法来设计制备新材料,不仅有一定的局限性,而且耗时耗力效率低。随着量子力学和计算机技术的发展,数值模拟求解复杂体系薛定谔方程的方式已经实现,体系的物化性质进而也可以获取。这样,我们可以根据理论结果初步筛选一些制备或改良的材料体系,为实验制备提供指导。本文通过基于密度泛函理论的第一性原理方法预测了一种新型的二维材料-五边形氧化锌(penta-ZnO_2)。这个新的二维材料的晶体结构不同于以往六边形的类石墨烯二维材料,它和开罗五边形瓷砖图案相似。首先,针对预测的五边形氧化锌结构,我们分别从能量、动力学以及机械力学上证实了它的结构稳定性。五边形氧化锌的结合能为-4.203 eV/atom,比类石墨烯氧化锌(g-ZnO)的值小,但比体相纤锌矿氧化锌(bulk-ZnO)的值大,这从能量上证实了五边形氧化锌可以稳定存在;五边形氧化锌的声子谱中没有虚频,从动力学上证实了五边形氧化锌可以稳定存在;通过拟合单轴、双轴和剪切应变的能量曲线计算出五边形氧化锌的弹性常数,结果发现C_(11)C_(22)-C_(12)~20和C_(66)0,这五边形氧化锌的弹性常数满足Born-Huang准则,从机械力学上证实其可稳定的存在。在稳定结构的基础上,我们发现它在电子学、光学和力学上具有一些独特的性质。五边形氧化锌易弯曲变形,本身具有负泊松比效应。使用Heyd-Scuseria-Ernzerhof(HSE06)杂化泛函计算五边形氧化锌的能带结构和态密度发现五边形氧化锌是一个带隙达到4.53 eV的准直接带隙半导体材料,另外我们作出五边形氧化锌的电荷密度差分图来阐述它的成键情况。通过计算五边形氧化锌的介电函数,我们得到吸收系数、反射率和折射率等参数,进而分析出五边形氧化锌的可见光的透光率几乎达到100%。五边形氧化锌独特的电子、弹性和光学性质使得它在光电领域有着广泛的应用前景。柔性好和光透过率高使得五边形氧化锌成为一种很有前途的柔性透明电极。此外,我们还在六方氮化硼(h-BN)片层上设计了两种布满规则间隔的三角孔缺陷结构(V_B-BN和V_N-BN)。我们发现这两种体系都会自发产生磁性。在结构V_B-BN中,磁性主要归功于双配位的N原子,三配位的N原子次之,磁矩分别为0.100和0.059μ_B。在结构V_N-BN中,双配位的B原子对V_N-BN磁性起主要贡献作用,三配位的B原子次之,磁矩分别为0.132和0.072μ_B。更有趣的是,V_B-BN是金属性的,而V_N-BN属于半金属。V_N-BN的能带图中自旋向上部分是金属性的,而自旋向下电子态是一个带隙4.2 eV的绝缘体。由于金属性不具有压电性质,针对结构V_N-BN使用密度泛函微扰理论DFPT方法计算其压电性质,它的压电应力常数e_(11)是h-BN的压电应力常数的1.5倍,压电应变常数d_(11)(12.42pm/V)是h-BN的20倍左右。氮空位调控后的六方氮化硼片层可以同时具有磁性和较好的压电性质,此材料可被用于同时需要磁性和压电性的纳米装置中。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1
【图文】：

一种理化性质非常不错的纳米材料，深受材料界的人的喜爱。碳原子以 sp2方式杂化，且为剩余的 p 轨道提供一个电子，最些形成 π 键的电子可以自由自在地在原子之间活动，这就是石原因。这些电子在石墨烯中的活动速率很快，是光速的 1/300导体中的运动速度。石墨烯结构很稳定并且柔韧性很好，即使碳原子之间形成的化学键也不会断裂。原子和分子还可以在石附和脱附过程，因此石墨烯的功能化研究层出不穷。它的硬度烯优异的性能真的很多，迁移率高、比表面积大、力学强度优一系列优异的特性使得它可以被制成现在常见的手机、电脑的也可以用于制作发光二极管，光学探测器，能量收集器等。石隙的半导体材料，我们可以通过进一步功能化修饰它打开它的生产应用中。

氧化锌,五边形,侧视图,俯视图

）的俯视图和侧视图。灰色球和红色球分别代表锌原子和氧原子。黑色虚线标记的正方形区域代表了一个原胞。如图3.1，优化的penta-ZnO2晶体结构属于p-421m 对称性点群(空间群为 113号)。这优化的晶格常数是 a=b=4.49 。penta-ZnO2的弛豫结构由三层原子层组成，中间层是 Zn 原子，上下两层是 O 原子，这与 Zn 和 O 原子位于同一平面上的类石墨烯氧化锌的结构不同。原胞包含四个氧原子和两个锌原子，在图中用黑色虚线标记。锌原子用灰色球来表示的，氧原子用红色球表示。每个锌原子和四个氧原子键合，都是四配位。在 penta-ZnO2原胞中

五边形,能量曲线图,氧化锌,能量

第 3 章五边形氧化锌的弹性、电子和光学性质的研究泊松比 ν12=ν21=-0.14 是负值，与大多数现有材料(包括所有其他氧化锌化正值泊松比属性相反。这个负泊松比的值远大于-0.068，是五边形石墨烯大约 2 倍[6]。这一事实意味着，当这种材料被拉伸时，它在弹性范围内被伸时纵向膨胀比五边形石墨烯容易得多。通常，正泊松比的材料，在横向行单轴拉伸时，纵向会收缩。而负泊松比材料是膨胀的。几乎所有负泊松的微观结构都是需要被功能化设计的体材料。相比于需要结构功能化的体说，五边形氧化锌的负泊松比效应是本身固有的。

【参考文献】