二维碳材料和碳氮材料的理论设计和物性研究
发布时间：2022-12-07 02:49
二维材料因其大的比表面积及独特的电子结构等优异的特性,一直备受研究者的关注。新型功能二维材料的设计一直是凝聚态物理、化学及材料科学等领域的研究热点。随着计算机技术的飞速发展,第一性原理计算已成为设计和研究晶体材料的有力工具,对于研究材料的基础特性和发展设计新型功能材料具有重要意义。在二维材料家族中,碳材料和碳氮基单层纳米材料都具有重要的地位,也一直是材料、物理、化学学科领域中研究的焦点。材料的晶体结构是决定材料物理特性的基本因素,因此,从理论上设计新型二维碳材料和碳氮材料的晶体结构对于开发新型功能二维材料是十分必要的。本论文利用全局结构预测方法,结合密度泛函理论的第一性原理计算方法,选取典型的二维体系（碳材料和碳氮基材料）为研究对象,开展了晶体结构的理论研究,获得了如下创新性研究结果:1.二维材料因其优异的光学、力学、磁学等性能在纳米科技的诸多领域有着广泛的应用前景。本工作通过CALYPSO晶体结构预测方法在常压下对二维碳材料的晶体结构进行了结构预测研究,发现了一种由五边形和七边形组成的亚稳态的二维碳的同素异形体。该结构的拓扑结构特征与超硬M-carbon体材料的拓扑特征相似,因此命名...
【文章页数】：108 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
中文摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 引言
1.2 二维碳的同素异形体
1.3 二维碳氮化合物
1.4 二维碳氮材料的电子性质调控
1.5 晶体结构的理论预测
1.6 本论文的主要研究内容
第2章 理论基础与计算方法
2.1 密度泛函理论
2.1.1 绝热近似
2.1.2 Hartree-Fork近似
2.1.3 Hohenberg-Kohn定理
2.1.4 Kohn-Sham方程
2.1.5 交换关联函数
2.1.6 自洽计算
2.2 第一性原理计算方法
2.2.1 线性变分法
2.2.2 赝势方法
2.3 晶格动力学
2.4 电子局域函数
2.5 晶体轨道哈密顿布居
2.6 CI-NEB
2.7 开路电压
2.8 光学性质计算
2.9 晶体结构预测
2.9.1 粒子群优化算法(PSO)
2.9.2 CALYPSO结构预测软件
第3章 二维碳材料:M-graphene
3.1 背景介绍
3.2 计算细节
3.3 结果与讨论
3.3.1 M-graphene的结构特征
3.3.2 M-graphene的能量和结构稳定性研究
3.3.3 M-graphene的电子性质分析
3.3.4 M-graphene的电化学性质与潜在应用
3.4 本章小结
第4章 二维碳氮化合物:C_5N_2、C_2N、C_3N_2和CN
4.1 背景介绍
4.2 计算细节
4.3 结果与讨论
4.3.1 二维碳氮化合物的结构特征
4.3.2 二维碳氮化合物的形成能与结构稳定性
4.3.3 二维碳氮化合物的电子性质
4.3.4 二维碳氮化合物的光学性质
4.3.5 二维碳氮化合物的力学性质
4.4 本章小结
第5章 二维多孔C_3N_2的电子性质调控
5.1 背景介绍
5.2 计算细节
5.3 Si原子替换C_3N_2中C原子的结构设计
5.3.1 Si原子替换C_3N_2中C原子的构型
5.3.2 Si原子替换C_3N_2中C原子结构的稳定性
5.3.3 Si原子替换C_3N_2中C原子的电子性质
5.3.4 小结
5.4 碱金属吸附C_3N_2的结构设计
5.4.1 碱金属吸附C_3N_2构型
5.4.2 碱金属吸附C_3N_2结构的稳定性
5.4.3 碱金属吸附C_3N_2的电子性质
5.4.4 小结
5.5 本章小结
第6章 结论与展望
参考文献
作者简介
攻读博士学位期间公开发表的学术论文
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]Superconducting Single-Layer T-Graphene and Novel Synthesis Routes[J]. 顾琴燕,邢定钰,孙建. Chinese Physics Letters. 2019(09)
[2]基于智能全局优化算法的理论结构预测[J]. 高朋越,吕健,王彦超,马琰铭. 物理. 2017(09)
[3]Modulating the properties of monolayer C2N: A promising metal-free photocatalyst for water splitting[J]. 俞松,饶勇超,段香梅. Chinese Physics B. 2017(08)
[4]CALYPSO结构预测方法[J]. 王彦超,吕健,马琰铭. 科学通报. 2015(27)
博士论文
[1]若干二维材料表界面性能及应用的第一原理研究[D]. 陈显飞.吉林大学 2014
[2]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]几种新纳米材料稳定性、电子结构及相关性质的第一性原理研究[D]. 滕紫薇.南京邮电大学 2018
本文编号：3712096
【文章页数】：108 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
中文摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 引言
1.2 二维碳的同素异形体
1.3 二维碳氮化合物
1.4 二维碳氮材料的电子性质调控
1.5 晶体结构的理论预测
1.6 本论文的主要研究内容
第2章 理论基础与计算方法
2.1 密度泛函理论
2.1.1 绝热近似
2.1.2 Hartree-Fork近似
2.1.3 Hohenberg-Kohn定理
2.1.4 Kohn-Sham方程
2.1.5 交换关联函数
2.1.6 自洽计算
2.2 第一性原理计算方法
2.2.1 线性变分法
2.2.2 赝势方法
2.3 晶格动力学
2.4 电子局域函数
2.5 晶体轨道哈密顿布居
2.6 CI-NEB
2.7 开路电压
2.8 光学性质计算
2.9 晶体结构预测
2.9.1 粒子群优化算法(PSO)
2.9.2 CALYPSO结构预测软件
第3章 二维碳材料:M-graphene
3.1 背景介绍
3.2 计算细节
3.3 结果与讨论
3.3.1 M-graphene的结构特征
3.3.2 M-graphene的能量和结构稳定性研究
3.3.3 M-graphene的电子性质分析
3.3.4 M-graphene的电化学性质与潜在应用
3.4 本章小结
第4章 二维碳氮化合物:C_5N_2、C_2N、C_3N_2和CN
4.1 背景介绍
4.2 计算细节
4.3 结果与讨论
4.3.1 二维碳氮化合物的结构特征
4.3.2 二维碳氮化合物的形成能与结构稳定性
4.3.3 二维碳氮化合物的电子性质
4.3.4 二维碳氮化合物的光学性质
4.3.5 二维碳氮化合物的力学性质
4.4 本章小结
第5章 二维多孔C_3N_2的电子性质调控
5.1 背景介绍
5.2 计算细节
5.3 Si原子替换C_3N_2中C原子的结构设计
5.3.1 Si原子替换C_3N_2中C原子的构型
5.3.2 Si原子替换C_3N_2中C原子结构的稳定性
5.3.3 Si原子替换C_3N_2中C原子的电子性质
5.3.4 小结
5.4 碱金属吸附C_3N_2的结构设计
5.4.1 碱金属吸附C_3N_2构型
5.4.2 碱金属吸附C_3N_2结构的稳定性
5.4.3 碱金属吸附C_3N_2的电子性质
5.4.4 小结
5.5 本章小结
第6章 结论与展望
参考文献
作者简介
攻读博士学位期间公开发表的学术论文
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]Superconducting Single-Layer T-Graphene and Novel Synthesis Routes[J]. 顾琴燕,邢定钰,孙建. Chinese Physics Letters. 2019(09)
[2]基于智能全局优化算法的理论结构预测[J]. 高朋越,吕健,王彦超,马琰铭. 物理. 2017(09)
[3]Modulating the properties of monolayer C2N: A promising metal-free photocatalyst for water splitting[J]. 俞松,饶勇超,段香梅. Chinese Physics B. 2017(08)
[4]CALYPSO结构预测方法[J]. 王彦超,吕健,马琰铭. 科学通报. 2015(27)
博士论文
[1]若干二维材料表界面性能及应用的第一原理研究[D]. 陈显飞.吉林大学 2014
[2]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]几种新纳米材料稳定性、电子结构及相关性质的第一性原理研究[D]. 滕紫薇.南京邮电大学 2018
本文编号：3712096
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