金刚石二维结构及掺杂性质的理论计算

发布时间：2020-08-25 13:08

【摘要】：金刚石具有宽禁带、高热导率、高硬度、化学惰性、生物相容性等独特性质,在许多领域都有着非常广泛的应用。除了传统的体金刚石,与金刚石相关的纳米结构也引起了人们的极大兴趣,设计新的金刚石基纳米结构,并发现新性质,成为一项重要科学前沿问题。自从2004年成功地从石墨中剥离出石墨烯以来,人们对二维材料的研究也越来越感兴趣。继本课题组研究了二维(2D)(111)金刚石的结构和性质特点之后,本文基于(110)金刚石的表面相对比较稳定的特点,系统的研究了2D(110)金刚石纳米膜的层数和表面氢修饰对其结构和电学性质的影响;此外,由于缺陷对金刚石的物理性质有着显著的影响,缺陷的研究是开发和应用新材料的重要手段,与硅有关的缺陷通常存在于人工合成的金刚石中,硅空位因其作为量子信息处理设备单光子源的潜在用途而受到人们重视,因此,本文也将针对体金刚石和二维金刚石中与硅有关的缺陷结构特点和相关性质开展研究工作。获得了如下研究结果:1、利用第一性原理计算,研究无任何表面氢修饰和有表面氢化的2D(110)晶向金刚石纳米膜依赖层数(n)的结构演化和电学性质。结果表明,对于n≤2的初始金刚石纳米膜,其体相结构不稳定,将重构为单层或双层石墨烯。仅当n≥3时,便可以保持金刚石初始的体相结构不变,这明显小于之前报道的(111)金刚石纳米膜的相变层数。此外,在二维金刚石膜的表面进行了单侧氢化(SH)和双侧氢化(FH),发现氢化结构只出现很小的结构弛豫,所以氢化有助于体相金刚石的结构稳定。无任何表面修饰(n≥3)和单侧氢化的结构表现出金属性,而双侧氢化的结构转变为带隙随层数n变化的半导体。因此,这表明通过层数n和表面功能化调制的二维(110)金刚石纳米膜在碳族材料中是一个比较特殊的结构。2、通过第一性原理计算,从理论上研究了金刚石中替代硅(Si _C)、空位(Vc)、硅-空位(SiV)和硅-双空位(SiV_2)复合物杂质与自旋和电荷态相关的电学和磁学性质。其中,Si_C没有表现出自旋劈裂,硅的掺杂对带隙只产生了微弱的影响。带电荷的(负电荷态和中性电荷态)V_C、SiV和SiV_2杂质在带隙中引入比较平坦的杂质能带,可以看出这是由空位周围的碳悬键引起的。空位对自旋劈裂产生的磁矩大小有着至关重要的作用,自旋取向对自旋劈裂的能量差及材料的磁性会产生不同的影响。3、利用第一性原理计算研究掺杂硅以及硅空位复合物(SiV)的2D氢化双层金刚石膜(2D-HBDF)的结构、电学性质和光学吸收性质。其中,两个不同格点位置的硅替代结构(Si_C-I和Si_C-II)能量上稳定,呈现出直接带隙半导体特性。对于Si_C-I和Si_C-II与空位结合的情况,即Si _CV_C-I和Si_CV_C-II,带隙中出现了杂质态。对于Si_CV_C-I,基态是顺磁性的,而Si_CV_C-II的基态是非磁性的,这取决于硅掺杂剂和空位的分布情况。与光学吸收有关的SiV金刚石在可见光区域表现出了较强的吸收。计算结果表明,在替代硅结构中,引入的空位及其与碳和氢的相对位置对调节2D-HBDF的电学和光学性质具有重要作用。本文理论预测的新型二维(110)纳米膜有利于实现高性能金刚石基光电纳米器件。掺杂金刚石通过改变带隙或引入杂质态,可以有效地调制其电学和磁学性质。硅掺杂及空位的引入提供了一种调制缺陷能级和磁性的方法,其中自旋特性和电荷态都发挥着重要作用。这些结果有助于构建高性能的金刚石基SiV光电子和磁性新型金刚石器件。探索2D金刚石的新性质,并在各领域找到其潜在的应用,具有重要的意义。采用硅掺杂的2D-HBDF将有助于构建新型低维金刚石基光电器件。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ163;TB34
【图文】：

晶胞,晶体结构,金刚石,原子

a a2 2a a2 200 原子，原子在原胞中的坐标分别是（0,0,0体学单元（即晶胞）含有 8 个碳原子，碳原(,,)(,,)(,,)(,,)(,,0)(,0,)(0,,)(0,0,0)414343434143434341414141212121212121 1.1 所示。

石墨,键长,金刚石,氢原子

形结构的石墨烷结构。灰色球表示碳原子，白色球表示氢原子的六角形网格结构[8]。型结构中，碳碳原子之间由共价键结合，并和氢原子在平面算的碳碳键长 1.52 ，与金刚石中成 sp3键的键长 1.54 接近成 sp2键的 1.42 。船型结构有两种不同类型的碳碳键：一面对侧氢原子上的碳，键长为 1.52 ；另一种是连接结合在平碳，键长为 1.56 ，由于氢氢排斥而键长稍长。在两种结构为 1.1 ，为典型碳氢化合物的键长。两种结构的电学性质非点处具有直接带隙，对于椅型结构，带隙为 3.5 eV，对于船型eV。很明显不同于体相结构金刚石5.5 eV[9]和石墨烯0 eV[10]的墨烷的结构和性质完全不同于石墨烯，具有类似于体相金刚石看到了二维金刚石存在的可能性。

密度分布,氟化石墨,能带结构,价带

氟化石墨烯的（a）能带结构和（b）导带底（CBM）、（c）价带顶密度分布[11]。于以上对石墨烯表面功能化的研究工作，2009 年，Chernozatonsk种新的基于双层石墨烯的 C2H 纳米结构[12]，它是由吸附在表面的子之间，以及相邻层中相对应的碳原子之间，形成共价键的作用下它们形成厚度小于 1 nm 的二维（111）金刚石“薄膜”，如图 1.4 所键长 dC2 C4= 1.52 ，dC3 C4= 1.53 ，键角∠(C1, C2, C4) = 107.石的结构参数非常接近。金刚石“薄膜”是带隙为 3.12 eV 的半导体比表面氢化的椅型石墨烷（3.5 eV）略小一些，远小于体相结构金 5.5 eV[9]，PBE 方法计算值为 4.13 eV[13]）。通过密度泛函理论计刚石“薄膜”比 CH 石墨烷更加稳定，其硬度比石墨烷更硬、更脆。

【相似文献】