二维金刚石（110）纳米膜结构和性质的理论研究

发布时间：2017-09-13 11:48

  本文关键词：二维金刚石（110）纳米膜结构和性质的理论研究

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【摘要】：二维纳米膜材料具有不同于体相材料的优异的力、热、光、电、磁等物理化学特性,拥有非常良好的应用前景。特别是自从石墨烯材料被发现以来,与碳相关的二维纳米膜材料的研究引起人们的极大重视,探索新型的二维碳材料并研究其特有性质成为重要的研究方向和基础,具有高度的应用研究意义。本论文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算二维(110)金刚石纳米膜,研究层数和表面修饰对结构演化和性质的影响。对其结构演化、能带结构、电子态密度进行系统的分析,从而得到相应的结构演化和性质的变化规律。从体材料金刚石中沿着垂直于110晶向截取出二维(110)金刚石纳米膜初始结构,对层数由1层增加到7层的金刚石纳米膜依次进行结构优化,并且计算能带结构和电子态密度,研究由层数变化所导致的结构演化和电学性质变化规律。具体结果如下:(1)当层数n≤2时,金刚石纳米膜发生结构重构,变成一层或两层石墨烯,电学性质呈现出半金属的性质。(2)当层数n≥3时,金刚石纳米膜发生结构弛豫,但是依然保持金刚石体相材料的特征,电学性质表现为金属性。这种变化产生的原因是由于在结构优化的过程中,原子间杂化类型由sp2杂化转化为sp3杂化,电学性质的改变与结构表面的弛豫程度是密切相关的。进一步对二维(110)金刚石纳米膜进行单侧氢化和双侧氢化的处理,研究不同氢化类型条件下层数变化对其结构演化和性质变化的影响。具体计算结果如下:(1)单侧氢化处理后,金刚石纳米膜的结构演化对层数变化的依赖关系不明显,金刚石膜氢化侧发生微小的结构弛豫,未氢化侧发生较大的弛豫,基本保持了金刚石相,其电学性质表现为金属性。(2)双侧氢化处理后,结构发生微小弛豫,仍然维持金刚石体相材料的结构特征,电学性质发生明显变化,出现直接带隙,体现出半导体的特性,且随着层数增多,带隙宽度单调减小,实现了通过层数对能带进行调控的目的。综合以上,与二维(110)金刚石纳米膜结构演化结果进行比较,发现经过氢化处理后的金刚石膜稳定性明显增强,更加容易保持金刚石体相特征,无论是单侧氢化还是双侧氢化,氢的存在都会使得结构更容易保持金刚石相。本文我们应用第一性原理对二维(110)金刚石纳米膜进行理论研究,探索层数和表面修饰对结构和性质的影响。通过氢化处理来增强结构稳定性,通过层数变化来调控能带,为金刚石材料应用于更多领域提供了便利。
【关键词】：第一性原理计算 二维金刚石纳米膜 %E5%8F%96%E5%90%91" target="_blank"><110>取向 结构演化 电学性质
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 引言10
• 1.2 金刚石的结构和特性10-12
• 1.3 二维碳基纳米材料12-18
• 1.3.1 石墨烯12-13
• 1.3.2 石墨烷13
• 1.3.3 Diamane13-14
• 1.3.4 （111）Diamond14-17
• 1.3.5 石墨烯与金刚石膜的转化17-18
• 1.4 本文选题依据和主要内容18-20
• 第二章 理论基础与计算方法20-25
• 2.1 引言20
• 2.2 密度泛函理论20-21
• 2.3 交换关联函数21-22
• 2.3.1 局域密度近似21
• 2.3.2 广义梯度近似21-22
• 2.4 CASTEP简介22-23
• 2.5 本文使用的计算方法23-25
• 第三章 二维(110)金刚石纳米膜的结构演化和电学性质25-33
• 3.1 引言25
• 3.2 结构演化和电学性质25-32
• 3.2.1 晶胞及计算参数选取25-26
• 3.2.2 二维（110）金刚石纳米膜结构演化26-28
• 3.2.3 二维（110）金刚石纳米膜形成能计算28-30
• 3.2.4 二维（110）金刚石纳米膜的电学性质30-32
• 3.3 本章小结32-33
• 第四章 氢化二维(110)金刚石纳米膜的结构和电学性质的研究33-41
• 4.1 引言33
• 4.2 氢化二维（110）金刚石纳米膜结构演化和性质研究33-40
• 4.2.1 晶胞及计算参数选取33-34
• 4.2.2 氢化二维（110）金刚石纳米膜结构演化34-36
• 4.2.3 氢化二维（110）金刚石纳米膜形成能计算36-37
• 4.2.4 氢化二维（110）金刚石纳米膜的电学性质37-40
• 4.3 本章小结40-41
• 第五章 全文总结41-42
• 参考文献42-48
• 作者简介48-49
• 致谢49-50

【参考文献】

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本文编号：843544