低维层状材料结构及性质的理论研究

发布时间：2017-07-29 08:01

  本文关键词：低维层状材料结构及性质的理论研究

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【摘要】：石墨烯的成功制备激发了人们对其它低维材料的研究热潮,包括石墨烯纳米带、二维硼碳化合物、过渡金属族硫化物以及黑磷烯等等。随着科技的飞快发展,运用相关软件进行模拟计算已成为科学研究石墨烯及其它低维材料的重要手段。本文采用第一性原理,利用Vienna Ab-initio Software Package (VASP)对一些低维材料的结构和基本性质进行了研究,主要包括Z型石墨烯纳米带的电学性质和磁学性质,带环形结构碳链(Cm-GNR)的电学性质和磁学性质,以及双层黑磷烯的两种不同堆垛结构,即平移堆垛和旋转堆垛的电学性质。本文的具体研究内容和所取得的研究结果如下：(1)通过调节Z型石墨烯纳米带的锯齿型部分长度和扶手椅型宽度可以有效调节体系的电学性质和磁学性质。特别是,本文发现对于A4A4Z5Z0这样一个特殊结构,其磁性基态为非磁性的,且带隙为零。以该结构为基础,本文发现了这种具有零带隙的Z型石墨烯纳米带的规律。分别加长其锯齿型部分L1和L2会打开体系的带隙,并且使得体系的磁性基态过渡到反铁磁性。但是分别加宽其扶手椅型部分W1和W2时,体系仍保持为非磁性的金属特性。且非对称单边加长L1或单边加宽W1时的结果仍然与上述保持一致。即保持Z型石墨烯纳米带两边缺失的二聚线条数为3时,不论主茎加宽还是侧边加宽,体系仍保持为非磁性的金属特性。这种零带隙的Z型石墨烯纳米带因其金属性具有比普通石墨烯纳米带更强的导电性,未来有望在纳米电子器件中成为导电性较好的导线。(2)带环状结构的碳链Cm-GNR既可以是半导体特性,也可以是金属特性,且这种特性与环形链上碳原子数目有关。本文保持直链上碳原子数目固定为偶数,个别环形链较小的体系除外,当半边环形链的碳原子数目(m)为奇数时,环形链中间部分出现双键,体系基本上呈现出金属特性,并且随着环的增大,体系的磁性基态表现出亚铁磁性；当m为偶数时,环形链中间部分为单键与三键交替的聚炔烃,体系则呈现出半导体特性,且体系的磁性基态都为反铁磁性。(3)此外,我们也模拟了窄带碳链生长变化的过程。最初两条锯齿型石墨烯纳米带之间通过一条窄的纳米带进行连接,随后中间的窄纳米带逐渐变成两条碳链,再之后两条碳链慢慢变化为Y型链,然后Y型链的两个分链逐渐变小,最后变成一条直链。本文模拟的结果证明这个变化过程中碳链上的平均能量逐渐降低,与实验结果相符合。(4)本文对双层黑磷烯的平移堆垛结构进行了大量研究。有趣的是,我们不仅找到了最稳定的AB堆垛,还发现了另一个特殊的亚稳态Aδ堆垛,且这种堆垛具有不同于一般体黑磷的间接带隙,它可以作为一种缺陷存在于体黑磷和少层黑磷烯中,对黑磷材料的研究具有重要参考价值。尤其是,这种Aδ堆垛结构的发现大大丰富了黑磷烯的电学性质。不同层数的不同堆垛结构可以形成横向半导体异质结,包括Ⅰ型,Ⅱ型和Ⅲ型异质结。(5)对于双层黑磷烯的旋转堆垛结构,本文分别研究了旋转角度0=15°,30°,45°,60°,75°,90°的情况,结果发现这些结构都为半导体结构,且θ=75°时体系最稳定,但是仍然没有AB堆垛和Aδ堆垛稳定。这种旋转堆垛结构和平移堆垛结构可与MoS2相结合形成适用于薄膜太阳能电池的Ⅱ型异质结。
【关键词】：石墨烯纳米带 碳链 黑磷烯 第一性原理 电子特性
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O613.71;TB383.1
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-18
• 1.1 引言10
• 1.2 石墨烯简介10-12
• 1.2.1 石墨烯的基本研究概况10-11
• 1.2.2 石墨烯的基本性质11-12
• 1.3 石墨烯纳米带简介12-15
• 1.3.1 石墨烯纳米带的基本研究概况12-13
• 1.3.2 石墨烯纳米带的基本性质13-14
• 1.3.3 其它特殊形状石墨烯纳米带的研究概况14-15
• 1.4 二维黑磷烯的简介15-16
• 1.4.1 黑磷烯的基本研究概况15
• 1.4.2 黑磷烯的基本性质15-16
• 1.5 课题的主要工作16-18
• 第二章 Z型石墨烯纳米带电子特性的研究18-32
• 2.1 基本模型与计算方法18-19
• 2.2 锯齿型部分长度L1和L2对Z型石墨烯纳米带能带的调控19-24
• 2.2.1 结构优化与磁性基态的确定19-21
• 2.2.2 电子特性的研究21-24
• 2.3 扶手椅型部分长度W1和W2对Z型石墨烯纳米带性质的调控24-26
• 2.3.1 优化结构及磁性基态24-25
• 2.3.2 体系电子特性的研究25-26
• 2.4 锯齿型长度L1单边加长对Z型石墨烯纳米带能隙的调控26-28
• 2.4.1 结构优化与磁性基态的确定26-27
• 2.4.2 体系电子特性的研究27-28
• 2.5 半边扶手椅型叶宽W2对Z型石墨烯纳米带能带的调控28-29
• 2.5.1 体系基本结构及磁性基态28
• 2.5.2 体系电子特性的研究28-29
• 2.6 shift系列结构的Z型石墨烯纳米带29-30
• 2.7 本章小结30-32
• 第三章 带环状结构碳链电子特性的研究32-50
• 3.1 奇环碳链结构的研究32-40
• 3.1.1 模型的建立与计算方法32-33
• 3.1.2 结构的优化33-36
• 3.1.3 体系磁性相关性质的研究36-37
• 3.1.4 体系态密度的分析37-39
• 3.1.5 体系局域电荷密度的分析39
• 3.1.6 应变对体系基本性质的影响39-40
• 3.2 偶环碳链结构的研究40-46
• 3.2.1 模型的建立与计算方法40
• 3.2.2 结构优化40-42
• 3.2.3 体系磁性相关性质的分析42-43
• 3.2.4 体系态密度的分析43-44
• 3.2.5 体系局域电荷密度的分析44-45
• 3.2.6 应变对偶环碳链结构的影响45-46
• 3.3 带链石墨烯纳米带变化过程的模拟46-49
• 3.4 本章小结49-50
• 第四章 少层黑磷烯不同堆垛结构电子特性的研究50-62
• 4.1 双层黑磷烯平移堆垛型结构性质的研究50-57
• 4.1.1 模型与计算方法50-51
• 4.1.2 不同堆垛结构稳定性的研究51-53
• 4.1.3 两种堆垛结构电学性质的研究53-56
• 4.1.4 Aδ亚稳态堆垛结构进一步的验证56-57
• 4.2 双层黑磷烯旋转堆垛结构性质的研究57-60
• 4.2.1 计算方法与模型57-58
• 4.2.2 不同堆垛结构电子特性性的比较58-60
• 4.3 黑磷烯在薄膜太阳能电池方面的应用60-61
• 4.4 本章小结61-62
• 第五章 总结62-64
• 致谢64-66
• 作者简介66-68
• 参考文献68-72

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 卓之问;武晓君;;二维单层材料的结构搜索[J];科学通报;2015年27期

2 安丽萍;刘春梅;刘念华;;Negative Differential Resistance in Atomic Carbon Chain-Graphene Junctions[J];Communications in Theoretical Physics;2012年06期

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本文编号：588104