利用表面修饰方法调控碳化硅纳米条带电学和磁学性质的理论研究

发布时间：2020-08-28 11:44

　　石墨烯在实验上的成功制备,开启了纳米材料研究的又一个黄金时代,维度的减少使石墨烯及其衍生物表现出一般传统材料不具备的特性,这些奇特的性质让人们看到了石墨烯等低维材料广阔的应用前景,并成为材料领域研究的热点之一。随着计算机性能的快速提升和计算模拟方法的日益进步,研究者们可以更加精确的设计和模拟低维纳米材料的结构和物理化学等性质。对高性能材料的追求是研究者们不懈奋斗的目标,在一维纳米材料中,碳化硅纳米条带的结构与石墨烯纳米条带类似且具有独特的电学和磁学性质,其优越的热稳定性和化学稳定性及良好的加工性能等特性吸引了大量理论和实验研究者们的关注,使其在纳米电子器件等领域有着广泛的应用前景。本论文借助第一性原理的密度泛函理论计算,系统研究了利用聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)、3d过渡金属原子和磁性超卤素MnCl_3对一维碳化硅纳米条带的表面修饰,及对碳化硅纳米条带的几何结构、电学性质和磁学性质的影响。对现有材料的功能化修饰是拓宽材料应用前景的最有效途径,而表面功能化修饰是理想的策略之一,在不破坏材料内在结构和原本性质的同时,进一步丰富其性质。我们将主要研究成果总结如下:聚合物聚偏氟乙烯以非共价相互作用的方式表面修饰锯齿型碳化硅纳米条带,利用聚偏氟乙烯内在的偶极性质和吸电子能力来打破锯齿型碳化硅纳米条带磁态能量简并的问题,并调控其电学和磁学性质。聚偏氟乙烯能够稳定的吸附在碳化硅纳米条带表面(吸附能为-0.436~-1.315 e V),并与基底碳化硅纳米条带之间发生了显著的电荷转移,聚偏氟乙烯的内在偶极矩和吸电子作用使纳米条带平面的静电势发生了明显变化,有效的调节其能带结构并克服了磁性简并的缺点。聚偏氟乙烯以四种不同空间构型分别吸附在锯齿型碳化硅纳米条带表面,均能打破碳化硅纳米条带的磁性简并问题,并获得单独的铁磁态金属性体系或反铁磁态半金属性体系。利用3d过渡金属原子(Ti、Cr、Mn、Fe和Co)表面修饰锯齿型碳化硅纳米条带,详细研究了3d过渡金属原子对锯齿型碳化硅纳米条带的电学、磁学性质和稳定性的影响。过渡金属原子具有独特的d电子结构和内在磁矩,当3d过渡金属原子作用在纳米条带中心时,由于过渡金属原子的部分d电子转移到基底并引起基底碳化硅纳米条带平面静电势的降低,进而打破了其磁性简并,使体系显示出单独的铁磁态或反铁磁态的金属性行为,且获得的性质与纳米条带宽度的变化无关。当过渡金属原子由纳米条带中心移到纳米条带边缘时,依然能打破其磁性简并,并获得有趣的铁磁态或反铁磁态的半金属性行为。由于条带中心和硅/碳边的活性不同以及过渡金属d电子的成键不同等原因,过渡金属原子在条带中心、碳边、硅边的稳定吸附位点略有不同,但都能稳定的吸附在纳米条带表面,吸附能在-0.872~-4.304 e V之间,具有非常高的结构稳定性。所以表面吸附过渡金属原子在调控锯齿型碳化硅纳米条带电学和磁学性质方面是一种十分有效的策略,这些结果将提升碳化硅基材料在纳米电子自旋器件等领域的应用潜能。超卤素是一种具有比卤素原子的电子亲和能更高的一类基团或分子。因其具有很高的电子亲和能,可以作为构建安全性好、性能稳定的新型高能密度材料的结构单元。在过去的一段时间里,人们主要关注如何设计和合成新型的超卤素,而在如何应用超卤素来调控材料的物理化学性质,以增强或实现材料的功能化是尚未深入研究的领域。因此,我们详细研究了磁性超卤MnCl_3对锯齿型和扶手椅型两种碳化硅纳米条带的表面修饰。结果显示MnCl_3吸附在纳米条带表面可引入较大磁矩,并伴随着电子由基底到MnCl_3的转移,引起纳米条带平面静电势的显著升高。对于锯齿型碳化硅纳米条带,可有效克服其磁性简并,并获得有趣的铁磁金属性质和半金属性质,而对于扶手椅型碳化硅纳米条带,其非磁态的半导体性质被调控为铁磁态半金属和自旋无带隙半导体性质。在MnCl_3修饰的体系中,铁磁态半金属和自旋无带隙半导体性质不受纳米条带宽度的影响。MnCl_3修饰的所有体系都显示出非常好的热力学稳定性,吸附能范围是-1.430~-3.915 e V。
【学位单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB383.1
【部分图文】：

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人们带来了无尽惊喜的同时也开辟了材料发展的又一个黄金时代。下面我们将认识一下这一“神奇”的石墨烯！图1.1 石墨烯演变为富勒烯、碳纳米管和石墨的过程示意图。图片摘自文献[4]简而言之，石墨烯就是一个原子层厚的碳原子，具体的说，碳原子以sp2杂化形式与周围三个碳原子成键，构成蜂窝状六元环的二维周期性点阵结构。因碳原子之间具有烯烃类物质的基本要素-双键[5]，所以被命名为石墨烯。如图1.1 所示，单层的石墨烯通过翘曲、卷曲和堆砌等方法可分别得到零维的富勒烯、一维

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图 1.2 微机械剥离方法制备石墨烯的示意图。A： 3 nm 厚的石墨烯置于 SiO2晶片上；B-D：有限层石墨烯和石墨烯的图片；E是 D的器件示意图。图片摘自文献[1]1.2.2 石墨烯的制备方法目前，实验上制备石墨烯的方法主要分为机械剥离法[14]、加热 SiC 法[15]、金属表面生长法为代表的物理法和石墨氧化还原法[16]、化学裂解法[17]为主的化学法两大类。Geim 等人制备石墨烯的方法就是微机械剥离法（图 1.2 所示），但此种方法制备的石墨烯尺寸不规整，并且过程繁琐产率低。金属表面生长法是在高温环境下使碳原子渗入金属中然后冷却，这样碳原子析出并沉积于金属表面形成石墨烯薄片，得到的石墨烯片层厚度均匀且易于分离。常用的金属衬底有钌[18]、铱[19, 20]、镍[21]和铜[22]等。Berger 等人[15]提出加热 SiC 晶体制备石墨烯，将

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等人[10]对石墨烯的电子结构进行了研究。在二维石墨烯的能带结构中（图1.4 所示），在第一布里渊区的六个顶点（K 点）处，导带和价带相交，电子和空穴的能量和动量呈线性色散关系[41]：2 2 h ... ... ... ...1.1F x yE v k k式中 E 表示能量，h 是约化普朗克常数，6=1 10 /Fv m s 是费米速度，xk 表示波矢x轴分量，yk 表示波矢的y轴分量。图1.4 石墨烯的能带结构示意图。图片摘自文献[42]这种特殊的线性色散关系使电子和空穴在K点的有效质量为零，运动方程与狄拉克方程中所描述的相对论自旋1/2粒子非常相似

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