新型二维材料电子结构的调控研究

发布时间：2017-07-31 02:00

  本文关键词：新型二维材料电子结构的调控研究

  更多相关文章： 第一性原理 二维纳米材料 带隙 磁性 电荷

【摘要】：纳米电子器件已经成为当今社会不可缺少的一部分。纳米电子器件的发展直接影响着人们生活水平的高低。为此,人们希望设计出更加小型化、便捷化、集成化、功能化的纳米电子器件。众所周知,纳米电子器件由纳米材料制作而成。因此,纳米材料特性的好坏将直接决定纳米电子器件性能的好坏。本文通过第一性原理计算对一些新型的二维纳米材料的特性进行调控研究,希望找到调节二维纳米材料的内在机制,得出普适性的规律。我们相信,这些研究将有效的改善二维纳米材料的特性,为最终提高二维纳米电子器件的性能起到一定的作用。主要的结论如下:1.系统的研究了硅(Si)替位在石墨烯(graphene)中的结构和电子性质。研究发现,Si替位将破坏graphene的对称性并形成含有一定离子成分的C-Si键,从而最终影响graphene的带隙。Graphene的带隙将随着Si浓度的增加而增加,从而实现了对于graphene带隙的调控目的。利用graphene带隙的有效变化,我们从理论上设计了一种量子阱装置。如果Si在graphene中的替位区域足够大,这个量子阱装置将变得十分的稳定。稳定的量子阱装置将在光散射方面发挥一定的应用。2.系统的研究了金属原子替位在氮化硼(BN)中的结构和电子性质。研究发现,替位的几何结构和稳定性与替位原子的种类和替位类型有着密切的关系。金属原子替位可以使BN表现出许多不同的物理现象。金属原子替位不但可以使BN产生磁性,而且还可以改变BN的带隙。因此,我们可以通过替位不同的金属原子对于BN的电子结构进行调控,使BN在磁性和其它新的领域得到应用。3.系统的研究了各种空位缺陷在硫化钼(Mo S2)中的结构和电子性质。研究发现,锯齿形空位簇可以有效的引入和调控MoS2的磁性态。其中,三角形锯齿空位簇使Mo S2表现出铁磁性的特征,矩形和环形锯齿空位簇使Mo S2表现出反铁磁性的特征。值得注意的是,我们可以通过调节空位簇的构型、空位簇的间距以及空位簇的尺寸有效的调控MoS2磁矩的大小、磁性态以及磁性态的稳定能力。这些研究将使Mo S2在磁性相关的领域得到一定的应用。4.系统的研究了各种空位缺陷在类石墨烯锗烷(germanane)中的几何结构和电子性质。研究得到了两个主要结论。第一,氢(H)空位簇可以有效的引入和调控germanane的磁性态。Germanane的磁矩将随着H空位簇尺寸的增大而增大。磁性态的有效控制为germanane在磁性领域方面的应用起到了一定的作用。第二,H空位簇还可以有效的控制germanane的电荷分布。电荷分布的有效控制为germanane在光电子器件方面的应用起到了一定的作用。5.系统的研究了graphene在氧化锌(ZnO)基底上的几何结构和电子性质。研究发现,grapnene和ZnO之间存在着弱的相互作用,这种弱的相互作用也将破坏graphene的对称性,从而使graphene产生微弱的带隙。当graphene和ZnO之间的距离变小时,不但graphene的带隙开始增大,而且graphene的电子有效质量也开始增大。因此,基于这两个变化,我们认为,graphene的电子有效质量和带隙之间存在着一种补偿关系。令人庆幸的是,通过拟合,计算得到的graphene在ZnO表面的电子迁移速率依然非常的高。所以,较高的电子迁移速率和一定的带隙使graphene成为了理想的晶体管材料。6.系统的研究了BN在Co(111)基底上的几何结构和电子性质。研究发现,BN和Co(111)基底存在着一定的相互作用,这种相互作用将使BN产生一定的磁性。进一步研究表明,BN的磁性主要来于费米线处的σ态,并且BN在费米线处的自旋极化率达到了90%。因此,在费米线处,这样高的自旋极化将确保单自旋电子被有效的通过,从而使BN在自旋输运上得到应用。
【关键词】：第一性原理 二维纳米材料 带隙 磁性 电荷
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-14
• 第一章 绪论14-27
• 1.1 新型二维纳米材料的研究进展15-20
• 1.1.1 Graphene的研究进展15-16
• 1.1.2 BN的研究进展16-18
• 1.1.3 Mo S2的研究进展18-19
• 1.1.4 Germanane的研究进展19-20
• 1.2 电子结构调控的方法和意义20-24
• 1.2.1 掺杂调控和意义21-22
• 1.2.2 空位调控和意义22
• 1.2.3 基底调控和意义22-23
• 1.2.4 其它形式的调控和意义23-24
• 1.3 选题的目的和意义24-25
• 1.4 本论文的结构安排25-27
• 第二章 理论计算方法27-36
• 2.1 计算方法27-28
• 2.2 计算理论28-33
• 2.2.1 基本近似方法29-30
• 2.2.2 HOHENBERG-KOHN定理和KOHN-SHAM方程30-31
• 2.2.3 交换相关势31-32
• 2.2.4 赝势近似32-33
• 2.3 计算软件包33-34
• 2.4 计算步骤34-36
• 第三章 Si替位对于graphene电子结构的调控研究36-45
• 3.1 引言36
• 3.2 计算方法36-37
• 3.3 参数测试37-39
• 3.4 结果和讨论39-44
• 3.4.1 替位结构的内聚能39
• 3.4.2 替位结构的形成过程39-40
• 3.4.3 替位结构的几何结构40-41
• 3.4.4 替位结构的电子结构41-42
• 3.4.5 替位结构的应用42-44
• 3.5 本章小结44-45
• 第四章 磁性金属原子替位对于BN电子结构的调控研究45-54
• 4.1 引言45-46
• 4.2 计算方法46
• 4.3 参数测试46-48
• 4.4 结果和讨论48-53
• 4.4.1 替位结构的能聚能48-49
• 4.4.2 替位结构的几何结构49-50
• 4.4.3 替位结构的电子结构50-53
• 4.5 本章小结53-54
• 第五章 空位对于MoS2电子结构的调控研究54-68
• 5.1 引言54-55
• 5.2 计算方法55
• 5.3 参数测试55-57
• 5.4 结果和讨论57-67
• 5.4.1 MoS_257-58
• 5.4.2 原子空位58-60
• 5.4.2.1 原子空位的形成能58-59
• 5.4.2.2 原子空位的几何结构59
• 5.4.2.3 原子空位的电子结构59-60
• 5.4.3 空位簇60-64
• 5.4.3.1 空位簇的形成能60-61
• 5.4.3.2 空位簇的几何结构61-62
• 5.4.3.3 空位簇的电子结构62-64
• 5.4.4 空位簇的耦合64-67
• 5.5 本章小结67-68
• 第六章 空位对于germanane电子结构的调控研究68-81
• 6.1 引言68
• 6.2 计算方法68-69
• 6.3 参数测试69-71
• 6.4 结果和讨论71-80
• 6.4.1 Germanane71
• 6.4.2 氢空位71-73
• 6.4.2.1 氢空位的形成能71-72
• 6.4.2.2 氢空位的几何结构72
• 6.4.2.3 氢空位的电子结构72-73
• 6.4.3 空位簇73-80
• 6.4.3.1 空位簇的形成能73-74
• 6.4.3.2 空位簇的几何结构74-76
• 6.4.3.3 空位簇的电子结构76-80
• 6.5 本章小结80-81
• 第七章 ZnO基底对于graphene电子结构的调控研究81-90
• 7.1 引言81-82
• 7.2 计算方法82
• 7.3 参数测试82-84
• 7.4 结果和讨论84-89
• 7.4.1 Graphene在ZnO表面的几何结构84
• 7.4.2 Graphene在ZnO表面的电子结构84-86
• 7.4.3 间距对graphene带隙的影响86-88
• 7.4.4 间距对graphene有效质量的影响88-89
• 7.5 本章小结89-90
• 第八章 Co(111)基底对于BN电子结构的调控研究90-100
• 8.1 引言90
• 8.2 计算方法90-91
• 8.3 参数测试91-93
• 8.4 结果和讨论93-98
• 8.4.1 BN在Co(111)表面的吸附能93-94
• 8.4.2 BN在Co(111)表面的几何结构94-95
• 8.4.3 BN在Co(111)表面的应力曲线和吸附能曲线95-96
• 8.4.4 BN在Co(111)表面的电子结构96-98
• 8.5 本章小结98-100
• 第九章 全文总结与创新性以及展望100-103
• 9.1 全文总结与创新性100-102
• 9.2 后续工作展望102-103
• 致谢103-104
• 参考文献104-115
• 攻读博士学位期间取得的成果115-117

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