Ⅳ和Ⅴ族元素形成的二维材料的结构和物理性质的第一性原理研究
发布时间：2021-02-10 19:21
二维材料因其独特的性质受到人们的广泛关注。石墨烯是首个实验制备出的二维材料,不同于富勒碳、碳纳米带,石墨烯具有超强的机械性质、高的电子迁移率等优点。石墨烯的优异性能激发人们去寻找更多的、具有优异性能的二维材料。大量的二维材料被理论预言并且被成功制备,其中二维材料的同素异构体为寻找新型二维材料的方向。而元素替代掺杂和引入缺陷是在非磁性的二维半导体材料中引入磁性的有效手段。近年来,作为新的量子材料,拓扑半金属和拓扑金属受到人们的关注。目前理论预言和实验证实的二维node-line拓扑半金属和拓扑金属还很少,寻找新的、实验上有可能实现的二维node-line拓扑半金属和拓扑金属对于拓扑半金属和拓扑金属的研究具有重要意义。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究探索了空位和非金属原子替代掺杂对单层砷烯电子结构和磁学性质的影响,预言了单层IV-V半导体IVBi（IV=Si,Ge,Sn）的二维同素异构体—单层T-IVBi（IV=Si,Ge,Sn）以及IV族元素锗和锡的具有四方结构的二维同素异构体—单层T-Ge和T-Sn,并且研究了它们的几何结构、稳定性和物理性质。本文的主要结果如下:1.计算...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：107 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
(a)石墨烯的几何结构图；(b)石墨烯的电子能带结构图；(c)费米能级[33]
图 1.1 (a)石墨烯的几何结构图；(b)石墨烯的电子能带结构图；(c)费米能级附近的线性色散关系[33]。(6,6,12)型石墨炔)、pentahexoctite[34]、haeckelite[35]和 T-graphene[36, 37]等，这些碳的二维同素异构体具有不同于石墨烯的优异性质。比如 graphdiyne 和 γ 型石墨炔都是直接带隙半导体，带隙值约为 0.46 eV[32, 38, 39]；单层 T-graphene 的晶体结构可以看成是碳原子组成的 4-8 环周期排列形成的结构，其晶格为四方晶格，如图 1.2(a)所示。T-graphene 是半金属，但不同于石墨烯，T-graphene 价带和导带在费米能级处的相交点在第一布里渊区形成一个闭合的环，如图 1.2(b)所示；Graphdiyne 的空穴迁移率和电子迁移率[38]分别为 1.97×104cm2V 1s 1和2.81×104cm2V 1s 1。Li 等人[40]在实验上成功地制备出大面积的 graphdiyne。
锗烯的费米速度[43]分别高达 5.1×105m/s 和 3.8×105m/s。2013 年，单层锡烯(stanene)也被理论预测是稳定的，其晶体结构同硅烯和锗烯类似。值得注意的是，有关计算报道硅烯[44]、锗烯[44]和锡烯[45]都是量子自旋霍尔(quantum spinHall，QSH)绝缘体，它们的带隙分别为 1.55 meV、23.9 meV 和 100 meV，如图 1.3(b)-(d)所示。由于具有时间反演对称性，硅烯、锗烯和锡烯的边界上存在一对螺旋边缘态，自旋相反的电子沿相反方向传输，因此在它们的边界上可以实现无损耗的自旋输运。2012 年，Feng 等人[2]采用分子束外延技术在 Ag(111表面生长出单层硅烯，同时证实 Dirac 费米子的存在。相比于硅烯，锗烯和锡烯的实验制备要稍晚一些，2014 年，Dávila 等人[3]利用分子束外延技术在 Au(111的表面制备出单层锗烯。锗烯具有出色的光、电特性，在未来的光、电子器件中具有潜在的应用价值。2015 年，同样利用分子束外延的技术，Zhu 等[4]人在Bi2Se3的表面制备出了单层锡烯。
【参考文献】：
期刊论文
[1]A new member of the topological semimetals family[J]. Hongming Weng,Chen Fang,Zhong Fang,Xi Dai. National Science Review. 2017(06)
[2]Two-Dimensional Node-Line Semimetals in a Honeycomb-Kagome Lattice[J]. 卢金炼,罗伟,李雪阳,杨晟祺,曹觉先,龚新高,向红军. Chinese Physics Letters. 2017(05)
本文编号：3027861
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：107 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
(a)石墨烯的几何结构图；(b)石墨烯的电子能带结构图；(c)费米能级[33]
图 1.1 (a)石墨烯的几何结构图；(b)石墨烯的电子能带结构图；(c)费米能级附近的线性色散关系[33]。(6,6,12)型石墨炔)、pentahexoctite[34]、haeckelite[35]和 T-graphene[36, 37]等，这些碳的二维同素异构体具有不同于石墨烯的优异性质。比如 graphdiyne 和 γ 型石墨炔都是直接带隙半导体，带隙值约为 0.46 eV[32, 38, 39]；单层 T-graphene 的晶体结构可以看成是碳原子组成的 4-8 环周期排列形成的结构，其晶格为四方晶格，如图 1.2(a)所示。T-graphene 是半金属，但不同于石墨烯，T-graphene 价带和导带在费米能级处的相交点在第一布里渊区形成一个闭合的环，如图 1.2(b)所示；Graphdiyne 的空穴迁移率和电子迁移率[38]分别为 1.97×104cm2V 1s 1和2.81×104cm2V 1s 1。Li 等人[40]在实验上成功地制备出大面积的 graphdiyne。
锗烯的费米速度[43]分别高达 5.1×105m/s 和 3.8×105m/s。2013 年，单层锡烯(stanene)也被理论预测是稳定的，其晶体结构同硅烯和锗烯类似。值得注意的是，有关计算报道硅烯[44]、锗烯[44]和锡烯[45]都是量子自旋霍尔(quantum spinHall，QSH)绝缘体，它们的带隙分别为 1.55 meV、23.9 meV 和 100 meV，如图 1.3(b)-(d)所示。由于具有时间反演对称性，硅烯、锗烯和锡烯的边界上存在一对螺旋边缘态，自旋相反的电子沿相反方向传输，因此在它们的边界上可以实现无损耗的自旋输运。2012 年，Feng 等人[2]采用分子束外延技术在 Ag(111表面生长出单层硅烯，同时证实 Dirac 费米子的存在。相比于硅烯，锗烯和锡烯的实验制备要稍晚一些，2014 年，Dávila 等人[3]利用分子束外延技术在 Au(111的表面制备出单层锗烯。锗烯具有出色的光、电特性，在未来的光、电子器件中具有潜在的应用价值。2015 年，同样利用分子束外延的技术，Zhu 等[4]人在Bi2Se3的表面制备出了单层锡烯。
【参考文献】：
期刊论文
[1]A new member of the topological semimetals family[J]. Hongming Weng,Chen Fang,Zhong Fang,Xi Dai. National Science Review. 2017(06)
[2]Two-Dimensional Node-Line Semimetals in a Honeycomb-Kagome Lattice[J]. 卢金炼,罗伟,李雪阳,杨晟祺,曹觉先,龚新高,向红军. Chinese Physics Letters. 2017(05)
本文编号：3027861
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