锡及其氧化物薄膜材料的电磁和光学性质研究

发布时间：2017-07-14 13:27

  本文关键词：锡及其氧化物薄膜材料的电磁和光学性质研究

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【摘要】：本论文计算方法采用基于密度泛函理论的第一性原理投影缀加平面波法,论文中我们主要计算研究了二维SnO_2纳米面及锡烯的电子性质和能带结构。首先,我们计算了3d过渡金属原子(Cr,Mn,Fe,Ni)掺杂二维SnO_2纳米面的电子性质、能带结构以及光学性质。实验结果表明二维SnO_2纳米面结构属于无磁直接带隙半导体材料,带隙大小为2.75eV。研究发现Cr,Mn,Fe原子掺杂SnO_2NSs会分别引入2Bm,-3Bm,2Bm的磁矩,而Ni原子掺杂SnO_2NSs后结构依旧保持无磁特性。在光学性质方面,掺杂3d过渡金属原子(Cr,Mn,Fe,Ni)后SnO_2NSs的光学吸收边发生明显的红移现象。而且在可见光区域内的光学吸收强度、折射率和反射率都有明显提高。这些发现对设计太阳能电池、光电装置和光催化剂有重要应用。其次,论文中我们还进行了3×3锡烯吸附3d过渡金属原子电子性质和磁性的相关计算。研究发现除了V原子外,锡烯吸附TM原子的最稳定位置均处于hollow位。V,Cr,Mn,Fe和Co吸附原子会使锡烯体系引入磁性,磁矩主要来源于TM吸附原子;而锡烯吸附Ni,Cu和Zn原子体系则继续保持无磁特性。V,Cr,Mn,Cu吸附原子会使锡烯表现出金属性质,锡烯吸附Co原子会表现出半金属性质,而吸附Ni和Zn原子后高对称点处会打开一定带隙表现出半导体特性。更为重要的发现是,锡烯吸附Fe原子后表现出自旋双极化无带隙磁性半导体性质,这些结果对设计可控自旋电子器件提供理论依据。同时,我们用4×4的锡烯吸附3d TM原子对实验结果进行验证。实验结果表明体系总磁矩、局域磁矩以及电荷转移量与3×3锡烯吸附3d过渡金属原子的计算结果高度一致,从而证明了我们计算结果的准确性。在锡烯应力计算中,我们得出锡烯在承受2%以内的压力时,可以保持自身性质不发生变化,随着压力或拉力的增大,锡烯在高对称点处的能带会呈现规律性变化。在锡烯纳米带计算中,我们分别构建了armchair和zigzag两种边缘类型的锡烯纳米带,并对两种类型不同宽度的锡烯纳米带进行了相应能带计算。实验结果发现armchair边缘类型的锡烯纳米带均表现出直接带隙无磁半导体特性,而且带隙大小呈波浪形趋势变化。而在zigzag纳米带中,只有宽度为2的zigzag2纳米带是无磁的零带隙半导体,其他五种zigzag构型的锡烯均表现出磁性金属特性。zigzag纳米带中的磁矩主要来源于与H原子成键的Sn原子.最后我们研究了锡烯/MoS_2异质结的电子性质和能带结构,实验结果表明MoS_2衬底可以使锡烯打开一个较大的带隙,带隙范围在71.9-76.5meV之间,并且在狄拉克点处的线性能带色散特性被完整保留。与此同时,我们发现通过改变锡烯与MoS_2衬底的层间距离和外加应力,可以实现锡烯带隙大小的有效调节。这些实验结果为我们以后设计锡烯异质结提供了新方向。
【关键词】：二氧化锡 锡烯 第一性原理 吸附 电子性质
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.2
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 研究现状12-16
• 1.3 研究内容16-17
• 第二章 研究方法及理论基础17-21
• 2.1 密度泛函理论介绍17-19
• 2.1.1 多粒子体系薛定谔方程17-18
• 2.1.2 Hohenberg-Kohn定理18
• 2.1.3 Kohn-Sham方程18-19
• 2.2 交换关联能近似19-20
• 2.2.1 局域密度近似(Local Density Approximation, LDA)19-20
• 2.2.2 广义梯度近似(Generalized Gradient Approximation, GGA)20
• 2.3 平面波基组和赝势20-21
• 第三章 3d过渡金属原子掺杂SnO_2纳米面磁性和光学性质的研究21-31
• 3.1 本章引言21
• 3.2 理论模型的建立与计算21-22
• 3.3 结果与分析22-28
• 3.3.1 本征结构和形成能计算22-23
• 3.3.2 电子结构和磁性分析23-28
• 3.4 光学性质28-30
• 3.5 本章小结30-31
• 第四章 3d过渡金属原子吸附锡烯电子性质调控和磁性的研究31-43
• 4.1 本章引言31
• 4.2 模型建立及计算方法31-32
• 4.3 结构优化与形成能计算32-34
• 4.4 电子性质和磁性分析34-39
• 4.5 锡烯受力研究39-40
• 4.6 本章小结40-43
• 第五章 氢修饰对不同锡烯纳米带结构电子结构的研究43-49
• 5.1 本章引言43
• 5.2 计算方法与纳米带模型构建43-44
• 5.3 电子性质和能带结构44-47
• 5.4 小结47-49
• 第六章 锡烯/MoS_2异质结电子性质和能带调控的研究49-59
• 6.1 引言49-50
• 6.2 模型建立和计算方法50-51
• 6.3 锡烯/MOS_2异质结的电子性质和能带结构51-54
• 6.4 层间距对异质结能带结构的影响54-55
• 6.5 外加应力对异质结能带结构的影响55-57
• 6.6 本章小结57-59
• 第七章 结论和展望59-61
• 参考文献61-69
• 致谢69-71
• 附录71

【参考文献】

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1 张义华,王学勤,王祥生,牛德芳;纳米SnO_2的制备及其气敏特性分析[J];传感器技术;1999年06期

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本文编号：541303