碳硅低维稳定结构及性能的模拟研究

发布时间：2018-05-22 12:43

  本文选题：碳硅炔 + 分子动力学模拟　； 参考：《上海大学》2017年博士论文

【摘要】：石墨炔相关材料是近期人们研究的热点之一。近年来,随着理论方法和实验手段的不断改进,对石墨炔纳米材料的研究有了很大的进展。许多关于石墨炔制备,表征,掺杂和相关机械性能理论和实验工作被报道出来。更值得关注的是,石墨炔的带隙值与硅很相近,而且石墨炔直接带隙的存在,促进了光—电能的高效转换,有助于其在光电学器件上的应用。相比石墨烯,石墨炔更适合被应用于场效应晶体管,这些优点就使得石墨炔很可能成为硅电学器件优异的替代材料。现今实验研究还很不充分,其首要问题就是找到一种低成本、可控的、新颖的制备石墨炔的方法。如能在理论方面尽快地寻找基于石墨炔的不同类型的具有更优异性能的类似物,会使石墨炔的研究更具有指导意义。本论文采用半经验参数化的哈密顿量方法和第一性原理计算方法进行理论研究,通过计算机模拟,对Si掺杂的各种形态石墨炔进行弛豫,获得新型石墨炔体系,并对这些结构的性质做了研究,具体开展了如下一些研究工作:1.采用基于量子力学的半经验哈密顿量的计算方法,即SCED-LCAO方法,模拟研究了碳硅二炔的稳定性结构、成键特点、电子结构等性质。得出其最稳定的结构是单层平面结构,晶格常数为12.251?。它通过含有两个Si-C三键的链连接六元环构成。这种平面结构在很大高温范围内都可以保持其稳定特性,直到1520K时,该基本结构才被破坏,且结构中出现四元环。体系温度低于1520K时,均可通过降温,恢复其零温时的结构。研究还发现这种共轭结构中Si、C原子间存在稳定的sp杂化形式,对分布函数得出其键长为1.58?左右。计算结果表明,在零温下,该电中性系统中存在离域π键,使得系统中的Si-C键长呈现平均化趋势。研究表明,碳硅二炔的能隙为1.416eV,是一种n型半导体。2.我们对SimCn碳硅炔稳定性以及电子结构进行模拟研究。本章从理论设计的石墨炔结构出发,设计了一种寻找稳定的Si掺杂的石墨炔方法,我们详细解释了如何用这种设计方法得到不同碳硅炔的初始结构,之后通过计算机模拟并少量修正,得到最终的三种稳定碳硅炔结构(Si C graphyne,Si1C9 graphyne和Si2C8graphyne)。SiC graphyne和Si1C9 graphyne的最稳定结构是平面结构,Si2C8graphyne的最稳定结构是一个带有微小弯曲形变的准二维结构。sp杂化不仅可以存在C-C原子之间,也可以存在Si-C原子之间。更重要的是,SimCn graphyne的电子结构不仅依赖硅原子所在的位置,亦和碳硅原子的比例有关。SiC graphyne是带隙为0.955eV的间接带隙半导体,Si1C9 graphyne是带隙为0.689eV的直接带隙半导体,与前两者不同的是,Si2C8 graphyne则是只有0.06eV大小的带隙值。热稳定性的研究表明这三种结构在较低温度下都可以保持其基本构型,当温度分别高于2350K(SiC graphyne),2600K(Si1C9 graphyne)和3300K(Si2C8 graphyne)时,其结构被破坏。表明SimCn graphyne材料拥有较好的热稳定性。3.我们采用基于密度泛函理论的VASP方法对应力调控下的α-Si1C7-graphyne的电子结构进行模拟研究。研究发现与α-graphyne相比,其带隙值为0.83 eV。随后我们研究了这种结构在三种应力拉伸方式下(双轴拉伸,armchair方向,zigzag方向)的禁带宽度的变化,表明禁带宽度在双轴应力拉伸下呈现线性减小趋势,在armchair方向的应力拉伸下,其值呈现非线性减小的趋势,与前两者不同的是,在zigzag方向的应力下,其值在不同的应力值区间内分别呈现线性减小的趋势。由此可见,其电子结构在应力拉伸下是各向异性的。最后我们研究了其电子结构在应力调制下的变化原因。
[Abstract]:Graphite alkyne related materials are one of the hotspots of recent research. In recent years, with the continuous improvement of theoretical methods and experimental methods, there have been great progress in the research of graphite acetylene nanomaterials. Many reports on the preparation, characterization, doping and related mechanical properties of graphite alkynes have been reported. The band gap of the alkyne is very close to that of silicon, and the existence of the direct band gap of the graphite acetylene promotes the efficient conversion of light to electric energy, which is helpful to its application in the optoelectronic devices. Compared with graphene, graphite alkynes are more suitable to be applied to the field effect transistors. These advantages make Shi Moque very likely to be an excellent substitute for silicon electrical devices. The first problem is to find a low cost, controllable and novel method for preparing Shi Moque. If we can find different types of graphene based analogues with better performance as soon as possible, it will make Shi Moque's research more instructive. This paper uses semi empirical parameters in this paper. The modified Hamiltonian method and the first principle calculation method are studied. Through the computer simulation, the various morphologic graphite alkynes doped by Si are relaxed and the new type of graphite acetylene system is obtained. The properties of these structures are studied. The following research work is carried out in detail: 1. the semi empirical Hamilton based on quantum mechanics is used. The calculation method of the quantity, that is, the SCED-LCAO method, is used to simulate the stability structure, the bonding characteristics and the electronic structure of the carbon silicon two alkyne. It is concluded that the most stable structure is a single layer structure with a lattice constant of 12.251? It is composed of a six membered ring connected by a chain containing two Si-C three bonds. This plane structure can all be in a very high temperature range. In order to maintain its stability property, the basic structure is destroyed until 1520K, and the structure appears four element ring. When the system temperature is lower than 1520K, the structure can be restored by cooling to restore its zero temperature. It is also found that there is a stable SP hybrid form between Si and C atoms in this conjugated structure, and the bond length of the distribution function is about 1.58? The results show that there is an off domain pi bond in the neutral system at zero temperature, which makes the Si-C bond length of the system averaging. The study shows that the energy gap of the carbon silicon two acetylene is 1.416eV, which is a kind of N type semiconductor.2.. We have simulated the stability of SimCn alkyne and the electronic structure. A method of finding a stable Si doped graphite acetylene was designed. We explained in detail how to use this design method to obtain the initial structure of different carbonyl alkynes. After the computer simulation and a little correction, the final three kinds of stable carbon siliceous alkyne structures (Si C graphyne, Si1C9 graphyne and Si2C8graphyne).SiC graphyne and Si1C9 were obtained. The most stable structure of graphyne is plane structure. The most stable structure of Si2C8graphyne is a quasi two-dimensional structure with tiny bending deformation,.Sp hybrid not only can exist between C-C atoms, but also exist between Si-C atoms. More importantly, the electronic structure of SimCn graphyne is not only dependent on the location of the silicon atom, but also with the carbon and silicon atom. The proportion of.SiC graphyne is an indirect band gap semiconductor with a band gap of 0.955eV, and Si1C9 graphyne is a direct band gap semiconductor with a gap of 0.689eV. Unlike the previous two, the Si2C8 graphyne is a band gap value of only 0.06eV size. The study of thermal stability shows that these three structures can maintain their basic configurations at lower temperatures. When the temperature is higher than 2350K (SiC graphyne), 2600K (Si1C9 graphyne) and 3300K (Si2C8 graphyne), its structure is destroyed. It shows that SimCn graphyne material has better thermal stability. Compared with the alpha -graphyne, the band gap value is 0.83 eV., and then we study the gap width of the structure in three stress stretching modes (biaxial tensile, armchair direction, zigzag direction), indicating that the band gap is linearly decreasing under the double axis stress stretching, and its value is nonlinear under the stress stretching of the armchair direction. The trend of reduction is different from the previous two. Under the stress of the zigzag direction, its value is linearly decreasing in the range of different stress values. Thus, the electronic structure is anisotropic under stress tension. Finally, we have studied the reason for the change of the electronic structure under stress modulation.
【学位授予单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB383.1;TQ127.11

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本文编号：1922127