二维材料在锂离子电池、光电和自旋电子学领域应用的理论研究

发布时间：2020-06-26 21:31

【摘要】：自2004年实验上成功从石墨剥离出石墨烯以来,二维材料的理论和实验研究取得了迅速发展。各种新型二维材料相继被合成,它们的应用涉及晶体管、离子电池、光伏光电器件、传感器和自旋电子学等诸多领域。本文主要采用密度泛函方法,理论上预测了磷烯及其纳米带作为锂离子电池负极材料、超卤素修饰二维有机—无机杂化钙钛矿作为光电材料以及超卤素修饰的石墨型C_3N_4在自旋电子学领域应用的可行性。另外,考虑到二维材料的实际应用离不开衬底,本文还讨论了石墨型氧化锌作为石墨烯衬底的可行性。本文主要分为六个章节,具体内容如下。第一章,简要回顾了二维材料的发展历史,将二维材料分为单元素二维材料、过渡金属二硫属化物、过渡金属碳化物或氮化物以及量子阱材料四大类。介绍了它们在锂离子电池负极材料、光电器件和自旋电子学设备领域的应用和研究进展。第二章,首先介绍了量子化学中非相对论近似、波恩-奥本海默近似和单电子近似。接着介绍了基于波函数的量子化学方法,即哈特里-福克方法。由此引出了以电荷密度作为变量的密度泛函理论,介绍了该理论的发展历程和理论框架。最后,还简单介绍了本文所用软件包。第三章,采用密度泛函理论模拟,探索了磷烯及其纳米带作为锂离子电池负极材料的可行性。磷烯及其纳米带都是直接带隙半导体,锂化后都出现明显的电荷转移,发生了半导体到金属转变。重要的是,锂离子在单层磷烯表面沿着锯齿型方向迁移的能垒仅有0.09eV,预示着磷烯负极锂离子电池可实现快速充电。另外,磷烯纳米带也保持着锂离子的高速迁移特性。相比于石墨烯或二硫化钼等其它二维材料,锂离子在磷烯表面的迁移能垒是目前已知最低的。第四章,通过超卤素BH--_4逐步替代掺杂二维有机—无机杂化钙钛矿(C_4H_9NH_3)_2PbI_4中的卤素Ⅰ原子,形成(C_4H_9NH_3)_2PbI4-x(BH4)x(x=0-4),其带隙和激子结合能随着x单调递增。(C4H9NH3)2Pb(BH4)4的激子结合能可以与单层磷烯相比拟。另外,不含铅的二维有机—无机杂化钙钛矿(C4H9NH3)2MI4-x(BH4)x(M=Sn和Ge;x=0-4)也呈现出类似的变化趋势。结合量子限域效应和变组份方法可以有效调节二维有机—无机杂化钙钛矿的带隙和激子结合能,使得它们有望成为颜色丰富且发光效率高的光电器件理想材料。第五章,提出使用能带匹配方法设计二维自旋电子学材料的新思路。以石墨型C3N4和超卤素BH4以及BF4为例,通过匹配它们的能级,预测BF4可以诱导石墨型C3N4产生半金属铁磁性。密度泛函理论模拟证实了能带匹配方法的预测,每个BF4可以诱导1μB磁矩,磁矩以铁磁耦合的方式均匀分布在C3N4中二配位的N原子上。另外,从头算分子动力学模拟证实了该材料的稳定性。第六章,考虑到二维材料的实际应用离不开衬底,本章以石墨烯和石墨型氧化锌为例研究了衬底的影响。研究发现,无论石墨型氧化锌衬底中是否存在氧空位缺陷,都可以很好地保护本征石墨烯能带结构中的线性色散关系。石墨烯和石墨型氧化锌形成的复合结构光吸收性质优于独立的单层石墨烯或氧化锌。另外,在外电场下,石墨烯和石墨型氧化锌复合结构也保持着线性色散和高费米速率的特征。因此,推测石墨型氧化锌可能成为石墨烯在实际应用中的优良衬底。
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM912
【图文】：

石墨,碳原子,几何结构,小球

方法成功制备了石墨烯［１］，革新了人们的认识，使得单原子层厚度的二维材料成为科学逡逑界的热门课题。Ａｎｄｒｅ邋Ｇｅｉｍ和Ｋｏｎｓｔａｎｔｉｎ邋Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ也因此获得了邋２０１０年的诺贝尔物理逡逑学奖。如图１．２所示，石墨烯可看成所有石墨型材料的母体。将石墨烯包裹起来可形成逡逑Ｉ逡逑

量子霍尔效应,石墨,单层,狄拉克

二维材料在锂离了＇电池、光电和自旋电了？学领域应用的理论研宄逡逑石墨烯具有许多奇特的电子性质。它是一个零带隙的半导体，也称为半金属或准金逡逑属（ｓｅｍｉｍｅｔａｌ），它的导带和价带在狄拉克点相交，表现为线性色散关系’如图１．３所不。逡逑在狄拉克点附近，石墨烯的载流子性质需要用相对论的狄拉克方程来描述，它们相当于逡逑静质量为零的电子，又称为狄拉克费米子。室温下，其载流子迁移率仍可高达１５，０００邋ｃｍ２逡逑ｖｈ邋ｓｍ６］，并且随着温度的变化影响不大。逡逑图１．３紧束缚近似方法计算得到的石墨烯电子结构图。摘自文献ｍ。逡逑石墨烯另一个有趣的性质便是它的量子霍尔效应（ｑｕａｎｔｕｍ邋Ｈａｌｌ邋ｅｆｆｅｃｔ，逡逑图１．４展示了在单层和双层石墨烯中观察到的量子霍尔效应。图１．４（ａ）为在单层石墨烯逡逑中观测到的半整数量子霍尔效应［５＇６］。在狄拉克点附近，载流子从电子变化到空穴，霍逡逑尔电导呈现出等间距的阶梯状，间隔为４ｅ２／／；ｋ为电子电量，／？为普朗克常数平台出逡逑现在４ｅ２／／７的半整数倍处。图１．４（ｂ）展示了双层石墨烯中反常量子霍尔效应［１（）］。霍尔电逡逑导平台出现在４ｅ２／／？的ｙＶ（ｙＶ为整数）倍处。例外的是，当＃＝０时，平台消失了，如图逡逑中红色箭头所示。通过化学掺杂

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