新型低维材料电磁和输运性质的数值模拟研究

发布时间：2017-05-14 03:07

  本文关键词：新型低维材料电磁和输运性质的数值模拟研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,实验上发现了两类新型的类石墨烯低维材料——磷烯(二维黑磷)和二硫化铼(ReS2)。由于它们具有极高的表面积体积比和不同于三维块材材料的光电性能,这些材料在高性能场效应管,锂离子电池,自旋电子设备等诸多纳米电子工业应用方面都具有广泛的应用潜力。二维黑磷(磷烯)具有良好的室温载流子迁移率(～1000cm2/Vs)和非常高的漏电流调制率(105),但是有关理论研究表明未饱和磷烯纳米带的载流子迁移率较低,因此如何调控磷烯纳米带的载流子输运特性对于制备基于磷烯相关材料的场效应管具有重要的理论意义。此外,人们发现ReS2是一个直接带隙大小几乎不受层数影响的半导体,但是其本身不具有有序磁性。而现代电子器件一个重要的指标就是同时利用电子的电荷和自旋自由度,因此如何实现ReS2的有序磁性也是一个非常重要的基础科学热点。基于以上考虑,本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法结合形变势理论,研究了单层磷烯(phosphorene)纳米带在边界饱和和拉伸应变下的输运性质,以及非金属原子吸附、缺陷和应变对单层ReS2的电磁性质的调控。主要结论如下：(1)边界饱和和拉伸应变对磷烯纳米带的载流子输运特性的调控研究。运用第一性原理计算方法和形变势理论,我们研究了边界饱和和拉伸应变对磷烯纳米带输运性质的调控。计算表明饱和磷烯纳米带的载流子迁移率对不同的边界饱和原子(H,F,和Cl原子)不敏感,但是会强烈依赖于纳米带的方向。在纳米带宽度相近的情况下,饱和扶手椅型纳米带的载流子迁移率要比锯齿型纳米带大得多。而且饱和扶手椅型磷烯纳米带的电子迁移率会随着纳米带宽度的增加而迅速提高。另外我们也发现,由于费米面附近导带序的变化,H原子饱和磷烯纳米带的电子输运的各向异性会在一定的拉伸应变下会发生反转。该研究为基于磷烯纳米带的场效应管应用提供了一定的理论基础。(2)非金属单原子吸附对单层ReS2电磁性质的调控。由于低维材料巨大的表面积-体积比,表面吸附通常是调控低维材料物性的重要手段。我们用第一性原理计算方法研究了非金属原子(H,N,P,O,S,F和C1)被吸附对单层ReS2的晶体结构,电子结构和磁性的影响。研究发现ReS2表面对这些非金属原子表现出良好的吸附能力。大多数原子(除了N和P)优先占据S-p位置。N和P修饰使得ReS2发生了严重的表面重构,而其他原子保持了ReS2的层状结构。非金属原子的吸附非常丰富的调控了ReS2的电子结构。N,P,F和Cl吸附体系都形成了1μB的总磁矩,但是N(P)对总磁矩的贡献远小于F(C1),这主要是因为N(P)修饰造成了ReS2的表面重构。我们的计算表明非金属原子的吸附可以有效地调制单层ReS2的电磁性质,这为低维材料在纳米自旋电子器件方面的应用提供了一种新思路。(3)应变对含S缺陷的单层ReS2的电磁性质的调控。我们系统探究了单硫(Vs)和双硫(V2s)缺陷修饰的单层ReS2体系分别在不同拉伸应变下的电磁性质。当应变达到8%时,含有Vs缺陷的单层ReS2表现为磁性半金属,磁矩主要来源于缺陷附近的Re原子,且Re原子之间为反铁磁耦合。对于V2s缺陷,当应变从6%增大到7%时体系发生了从磁性半导体到磁性金属的转变,而且自旋极化的空间分布随着应变的增大而增大。我们的结果显示拉伸应变可以有效的调控缺陷修饰的单层ReS2的电磁性质,为ReS2在自旋电子设备方面的应用提供了一种新思路。本文的研究丰富了对磷烯和ReS2两种新型纳米材料的认识,对于扩展它们在场效应管、自旋电子设备等纳米器件方面的应用提供了一定的理论依据。
【关键词】：密度泛函理论 形变势理论 磷烯 二硫化铼 载流子迁移率 磁性
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ126.31;TQ137.14
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-38
• 1.1 单元素低维材料的基本性质和研究现状12-20
• 1.1.1 石墨烯12-16
• 1.1.2 硅烯和锗烯16-18
• 1.1.3 磷烯18-20
• 1.2 过渡金属二硫族化合物的基本性质和研究现状20-28
• 1.2.1 二硫化钼20-27
• 1.2.2 二硫化铼27-28
• 1.3 本文研究内容28-30
• 参考文献30-38
• 第二章 工作中使用的理论以及研究方法38-45
• 2.1 Born-Oppenheimer近似38-39
• 2.2 Hartree-Fock近似39-40
• 2.3 密度泛函理论(DFT)40-44
• 2.3.1 Hohenberg-Kohn定理40-41
• 2.3.2 Kohn-Sham方程41-42
• 2.3.3 交换关联势42
• 2.3.4 赝势方法42-44
• 参考文献44-45
• 第三章 电子与声子相互作用45-65
• 3.1 玻尔兹曼方程和弛豫时间近似45-48
• 3.2 电子与声子相互作用48-64
• 3.2.1 晶格动力学48-50
• 3.2.2 电子与长波声频支声子的相互作用50-57
• 3.2.3 电子与长波光频支声子的相互作用57-64
• 参考文献64-65
• 第四章 边界饱和和拉伸应变对磷烯纳米带的输运性质调控研究65-80
• 4.1 研究背景65-66
• 4.2 计算方法和模型66-67
• 4.3 边界饱和对磷烯纳米带输运性质的调控67-75
• 4.4 拉伸应变对磷烯纳米带输运性质的调控75-76
• 4.5 本章小结76-77
• 参考文献77-80
• 第五章 吸附,应变,和缺陷对单层ReS_2电磁性质的调控80-98
• 5.1 研究背景80-81
• 5.2 非金属单原子吸附对单层ReS_2的调控81-89
• 5.2.1 计算方法和模型81-82
• 5.2.2 计算结果与讨论82-89
• 5.2.3 小结89
• 5.3 应变对含缺陷单层ReS_2的电磁性质的调控89-95
• 5.3.1 计算方法和模型89-90
• 5.3.2 计算结果与讨论90-94
• 5.3.3 小结94-95
• 参考文献95-98
• 第六章 全文总结和展望98-100
• 博士期间发表和待发表的论文100-101
• 致谢101-102

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