二维金属化合物电子器件的理论研究
发布时间：2021-07-29 08:13
可充电电池是人们日常生活中的一种重要储能装置。锂离子电池作为一种可充电电池,因其能量密度高、输出功率大、循环次数多、无记忆效应、绿色环保等优点,广泛应用在移动电话、笔记本电脑、电动汽车、太阳能电站等储能电源系统中。然而,电极材料对锂离子电池的性能影响很大,低安全性、低充电速率、相对高的成本等缺点限制了锂离子电池的发展。因此,研究具有新型结构和性能的电极材料对提高锂离子电池的性能具有重要意义。自从发现石墨烯以来,二维材料取得了飞速的发展,可提供几乎所有纳米电子器件所需的电子特性。二维材料具有尺寸小、比表面积高、机械强度大、易于调控等优异的物理和化学性能,成为离子电池、光电器件、传感器和自旋电子学等诸多领域应用的理想材料。理论计算可以预测和验证二维材料性能,以理论研究为指导能够大大提高实验效率。本文以密度泛函理论为指导,通过第一性原理计算方法,理论上预测了新型二维金属化合物材料在电子器件中应用的可行性,主要内容如下:（1）探究了新型二维过渡金属硼化物（TMBs）作为锂/钠离子电池负极材料的可行性。主要计算电子结构、吸附能、扩散能垒、开路电压和存储容量。过渡金属硼化物为正交结构且表现出优异的...
【文章来源】：南京林业大学江苏省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池工作原理示意图
7过渡金属二硫族化物（TMDs）[58]是一种层状化合物，层与层之间依靠范德瓦尔斯力连接。化学通式一般为MX2，M代表过渡金属原子，X代表硫族原子。单层过渡金属二硫族化物呈现出三明治结构，即两个硫族原子层分别位于两侧，过渡金属层在其之间。过渡金属二硫族化物具备的其中一个独特性质就是能够形成不同的晶相[59]，如图1-3所示，这样也形成了过渡金属二硫族化物不同的电子特性，包括金属、半金属、半导体和超导行为。金属原子与硫族原子形成三棱柱构型，三个原子层以ABA方式堆叠，称为2H相；形成八面体配位时，三个原子层以ABC方式堆叠，称为1T相。对于大多数过渡金属二硫族化物来说，当2H相结构是半导体，1T相的是金属。典型代表就是二硫化钼MoS2。单层MoS2具有直接带隙，禁带宽度为1.80eV，可以被应用于制作微电子和光电子器件，同时有研究报告其在紫外探测器应用方面具有潜在的前景。图1-2石墨烯形成零维富勒烯、一维纳米管和三维石墨示意图。Fig.1-2Schematicdiagramofgrapheneformingzero-dimensionalfullerene,one-dimensionalnanotubesandthree-dimensionalgraphite.
8过渡金属碳化物或氮化物（MXenes）是另外一种重要的二维层状结构材料[60]，化学通式为Mn+1Xn（n=1，2，3），其中M为过渡金属，X为碳或氮。MXenes是通过从MAX相中选择性蚀刻A元素而产生的，所有已知的MAX相都以P63/mmc空间群呈六边形对称性分层，其中M原子是六角密排，X原子填充八面体位点，A层交错插入Mn+1Xn晶格中。其中强M-X键具有混合的共价/金属/离子键合特征，而M-A键是金属的。换句话说，MAX相成功地化学剥落成MXenes，主要是由于M-A键比M-X键弱得多。因此，与其他层状材料（例如石墨和TMDs）相反，它们是弱的范德华相互作用将结构保持在一起，而MAX相中各层之间的结合力太强而无法被剪切力或断裂力破坏，通过化学方法选择性蚀刻A层而不会破坏M-X键。MXenes主要有三种不同的结构，分别是M2X，M3X2或M4X3，如图1-4所示。在所有情况下，单层MXenes的厚度均小于1nm，而其横向尺寸则可以达到数十微米。由于MXenes的合成通常在含氟离子的水溶液中进行，因此单层MXenes表面的过渡金属原子最后会被O，OH或F终止，形成Mn+1XnTx。大多数MXene是良好的电子导电性和亲水性，使这些材料在电化学能量存储方面非常有前景。典型代表是Ti3C2。单层Ti3C2表现出磁性金属特性，而Ti3C2F2和Ti3C2(OH)2可以是窄带隙半导体或金属，这在很大程度上取决于表面F和OH基团的几何终止方式。在最稳定的形式中，F和OH基团更优选位于三个相邻C原子之间的空心位点上方，并且I-Ti3C2F2和I-Ti3C2(OH)2都是带隙非常小的半导体。金属或窄带隙半导体特性有助于Ti3C2相关材料在锂离子电池中的潜在应用。图1-3过渡金属二硫族化物的结构示意图。Fig.1-3Crystalstructuresoftransitionmetaldichalcogenides.
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂离子电池的发展现状及展望[J]. 王鹏博,郑俊超. 自然杂志. 2017(04)
[2]锂离子电池电极材料的研究进展[J]. 付文莉. 电源技术. 2009(09)
[3]锂离子二次电池正极材料镍酸锂的量子化学研究[J]. 何希兵,其鲁,王银杰,王祥云. 无机化学学报. 2003(08)
博士论文
[1]新型二维材料电子性质与量子调控行为的理论研究[D]. 李淑静.中国工程物理研究院 2019
[2]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[D]. 姚秋石.南京理工大学 2018
[3]锂离子电池新型正极材料的第一性原理研究[D]. 田萌.中国科学院大学(中国科学院物理研究所) 2017
[4]新型二维材料作为锂或非锂离子电池负极的第一性原理研究[D]. 胡军平.北京理工大学 2016
[5]类石墨烯二硫化钼的第一性原理研究[D]. 黄宗玉.湘潭大学 2014
硕士论文
[1]新型钠离子电池负极材料的第一性原理计算研究[D]. 兰珍云.浙江大学 2018
[2]高性能锂离子电池正极材料镍钴锰酸锂的工业化探索[D]. 胡东阁.复旦大学 2012
本文编号：3308959
【文章来源】：南京林业大学江苏省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
锂离子电池工作原理示意图
7过渡金属二硫族化物（TMDs）[58]是一种层状化合物，层与层之间依靠范德瓦尔斯力连接。化学通式一般为MX2，M代表过渡金属原子，X代表硫族原子。单层过渡金属二硫族化物呈现出三明治结构，即两个硫族原子层分别位于两侧，过渡金属层在其之间。过渡金属二硫族化物具备的其中一个独特性质就是能够形成不同的晶相[59]，如图1-3所示，这样也形成了过渡金属二硫族化物不同的电子特性，包括金属、半金属、半导体和超导行为。金属原子与硫族原子形成三棱柱构型，三个原子层以ABA方式堆叠，称为2H相；形成八面体配位时，三个原子层以ABC方式堆叠，称为1T相。对于大多数过渡金属二硫族化物来说，当2H相结构是半导体，1T相的是金属。典型代表就是二硫化钼MoS2。单层MoS2具有直接带隙，禁带宽度为1.80eV，可以被应用于制作微电子和光电子器件，同时有研究报告其在紫外探测器应用方面具有潜在的前景。图1-2石墨烯形成零维富勒烯、一维纳米管和三维石墨示意图。Fig.1-2Schematicdiagramofgrapheneformingzero-dimensionalfullerene,one-dimensionalnanotubesandthree-dimensionalgraphite.
8过渡金属碳化物或氮化物（MXenes）是另外一种重要的二维层状结构材料[60]，化学通式为Mn+1Xn（n=1，2，3），其中M为过渡金属，X为碳或氮。MXenes是通过从MAX相中选择性蚀刻A元素而产生的，所有已知的MAX相都以P63/mmc空间群呈六边形对称性分层，其中M原子是六角密排，X原子填充八面体位点，A层交错插入Mn+1Xn晶格中。其中强M-X键具有混合的共价/金属/离子键合特征，而M-A键是金属的。换句话说，MAX相成功地化学剥落成MXenes，主要是由于M-A键比M-X键弱得多。因此，与其他层状材料（例如石墨和TMDs）相反，它们是弱的范德华相互作用将结构保持在一起，而MAX相中各层之间的结合力太强而无法被剪切力或断裂力破坏，通过化学方法选择性蚀刻A层而不会破坏M-X键。MXenes主要有三种不同的结构，分别是M2X，M3X2或M4X3，如图1-4所示。在所有情况下，单层MXenes的厚度均小于1nm，而其横向尺寸则可以达到数十微米。由于MXenes的合成通常在含氟离子的水溶液中进行，因此单层MXenes表面的过渡金属原子最后会被O，OH或F终止，形成Mn+1XnTx。大多数MXene是良好的电子导电性和亲水性，使这些材料在电化学能量存储方面非常有前景。典型代表是Ti3C2。单层Ti3C2表现出磁性金属特性，而Ti3C2F2和Ti3C2(OH)2可以是窄带隙半导体或金属，这在很大程度上取决于表面F和OH基团的几何终止方式。在最稳定的形式中，F和OH基团更优选位于三个相邻C原子之间的空心位点上方，并且I-Ti3C2F2和I-Ti3C2(OH)2都是带隙非常小的半导体。金属或窄带隙半导体特性有助于Ti3C2相关材料在锂离子电池中的潜在应用。图1-3过渡金属二硫族化物的结构示意图。Fig.1-3Crystalstructuresoftransitionmetaldichalcogenides.
【参考文献】：
期刊论文
[1]锂离子电池的发展现状及展望[J]. 王鹏博,郑俊超. 自然杂志. 2017(04)
[2]锂离子电池电极材料的研究进展[J]. 付文莉. 电源技术. 2009(09)
[3]锂离子二次电池正极材料镍酸锂的量子化学研究[J]. 何希兵,其鲁,王银杰,王祥云. 无机化学学报. 2003(08)
博士论文
[1]新型二维材料电子性质与量子调控行为的理论研究[D]. 李淑静.中国工程物理研究院 2019
[2]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[D]. 姚秋石.南京理工大学 2018
[3]锂离子电池新型正极材料的第一性原理研究[D]. 田萌.中国科学院大学(中国科学院物理研究所) 2017
[4]新型二维材料作为锂或非锂离子电池负极的第一性原理研究[D]. 胡军平.北京理工大学 2016
[5]类石墨烯二硫化钼的第一性原理研究[D]. 黄宗玉.湘潭大学 2014
硕士论文
[1]新型钠离子电池负极材料的第一性原理计算研究[D]. 兰珍云.浙江大学 2018
[2]高性能锂离子电池正极材料镍钴锰酸锂的工业化探索[D]. 胡东阁.复旦大学 2012
本文编号：3308959
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