碳族纳米晶体的理论研究

发布时间：2020-11-13 04:25

　　 近年来,半导体纳米晶体受到了广泛的关注和兴趣,并且引出了大量的潜在应用价值,比如纳米电子和光学器件、荧光生物检测和量子计算等。而碳族元素(C、Si、Ge)作为重要的半导体材料在纳米科学的发展中扮演着极其重要的角色。氢饱和过后的碳族纳米晶体均保持着sp~3杂化的成键方式,比如纳米金刚石以及硅纳米晶体,理论和实验研究均表明这些材料是论证量子限制效应的理想模型。已经有大量的实验及理论表明,纳米体系的电子性质受大小、形貌及对称性的影响,通过用不同的原子或官能团修饰可进一步实现对体系的电子性质的调控。经观察发现,纳米金刚石(C_(9))H_(8)))可视为不同数目的金刚烷堆叠而成,其中心的连线也可视为金刚石结构的晶格团簇。为了区分无法通过键能模型区分的同分异构体,我们提出了一种新的命名法则对一定尺寸大小的纳米金刚石进行遍历搜索,对应的碳原子数目可从10到41间变化,不仅有效提高了搜索效率还扩大了纳米金刚石的研究范围,预测了实验中没有发现的纳米金刚石。结合基于密度泛涵的紧束缚模型(DFTB)和第一性原理(DFT)方法,我们对体系结构稳定性和电子性质进行了研究,发现两种方法所得体系的能隙趋势是一致的,验证了DFTB方法的可靠性。此外,通过改变氢的化学势可调控稳定结构的构型,纳米金刚石的能隙会受体系稳定性的影响。为了充分了解基团吸附在纳米金刚石表面的机制,我们对硫吸附在金刚烷表面的路径及势垒进行了深入探讨,对吸附的难易程度有了初步的了解。此外,基于所搜索得到的较大尺寸的纳米金刚石,我们对硫原子位置及数目不同时对体系的电子性质的影响进行了研究。研究发现,C=S的位置和数目以及所修饰的纳米金刚石的大小和体系是否具有对称性均会影响其能隙分布,且C=S越多时,体系的能隙变小。通过将硫吸附在不同位置可实现体系能隙的调控,这将为电子器件的设计提供理论指导。研究表明,立方碳化硅纳米材料是很好的紫外光和蓝光的发射源。结合键能模型、第一性原理计算和Wang-Landau方法,我们对一定尺寸下的碳化硅纳米晶体进行了系统研究,包括体系稳定性、能隙与团簇尺寸、形貌的关系。通过Wang-Landau方法,我们首先搜索得到了碳化硅纳米晶体(H-SiCNCs)的可能结构,碳和硅原子的总数取值为10、14、18、22、26。通过以碳、氢化学势为变量的相图,发现体系的碳、氢化学势对H-SiCNCs的结构稳定性起着关键作用,随着化学势的变化稳定结构的构型将发生改变且对于特殊外形的碳化硅纳米晶体比如正四面体、正六面体、正八面体,随着化学势的变化,稳定结构会发生正四面体与正八面体的演变,而正六面体均处于亚稳态。对于相同尺寸的正四面体和正八面体状的碳化硅纳米晶体,后者的能隙会更大,而形貌为六面体时体系的最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占据分子轨道(LUMO)会出现电荷分离。这表明通过控制碳和氢原子的化学势可实现稳定构型的调控从而对电子纳米器件进行设计。由于Si与Ge的晶格常数基本一样,因此可以以任意比例混合。通过固定硅和锗的原子总数(10,14,18,22),以之前得到的纳米金刚石C_(9))H_(8))结构为基础,我们遍历得到了以任意比例混合的SiGe体系。结合键能模型和第一性原理计算,我们对SiGe体系的稳定性进行了研究,发现键能模型与第一性原理计算所得的体系稳定性是一致的。此外,Si和Ge的比例及体系的形貌均会影响体系的电子性质,可实现体系的能隙在一定范围内可调。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O613.7;TB383.1
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 纳米金刚石
        1.1.1 纳米金刚石的结构
        1.1.2 纳米金刚石的制备
        1.1.3 纳米金刚石的光学性质
        1.1.4 表面修饰的纳米金刚石
    1.2 碳化硅纳米晶体
        1.2.1 碳化硅纳米晶体的结构
        1.2.2 碳化硅纳米晶体的性能
xGe_1-x纳米晶体'>    1.3 Si_xGe_1-x纳米晶体
    1.4 本文的研究意义、目的和内容
第二章 纳米金刚烃的结构稳定和电子性质的研究
    2.1 研究背景
    2.2 方法论
        2.2.1 金刚烃命名法
        2.2.2 计算方法
nH_m（n=10～36）的稳定性探讨'>    2.3 C_nH_m（n=10～36）的稳定性探讨
nH_m（n=37～41）的能隙分布'>    2.4 C_nH_m（n=37～41）的能隙分布
    2.5 本章小结
第三章 硫修饰纳米金刚烃电子性质及稳定性研究
    3.1 研究背景
    3.2 计算方法
    3.3 硫吸附在金刚烷表面形成C=S双键的机制
    3.4 硫修饰纳米金刚石的结构稳定性
    3.5 硫修饰对纳米金刚烃电子性质的调控作用
    3.6 本章小结
第四章 氢饱和碳化硅纳米晶体的结构稳定性及电子性质的研究
    4.1 研究背景
    4.2 计算方法
        4.2.1 第一性原理计算方法
        4.2.2 Wang-Landau方法
        4.2.3 键能模型
    4.3 H-SiCNCs的结构稳定性
    4.4 具有特殊形貌的H-SiCNCs的电子性质
    4.5 稳定H-SiCNCs的电子性质
    4.6 本章小结
第五章 硅锗纳米晶体的结构稳定性和电子性质的研究
    5.1 研究背景
    5.2 计算方法
    5.3 H-SiGeNCs的搜索
    5.4 H-SiGeNCs的稳定性
    5.5 H-SiGeNCs的电子性质
    5.6 本章小结
结论
参考文献
攻读博士/硕士学位期间取得的研究成果
致谢
附件

【参考文献】

相关期刊论文 前2条

1 李昀珺;铁生年;李星;;碳化硅纳米材料研究进展[J];青海科技;2008年06期

2 张爱霞;蔡克峰;;一维碳化硅纳米材料的研究进展[J];材料导报;2006年S1期

本文编号：2881726