ⅢA族氮化物类石墨烯低维结构磁性的第一性原理研究

发布时间：2017-12-11 23:25

  本文关键词：ⅢA族氮化物类石墨烯低维结构磁性的第一性原理研究

  更多相关文章： ⅢA族氮化物 低维结构 第一性原理计算 磁性 半金属性

【摘要】：近年来,随着石墨烯热的持续,作为类石墨烯材料,ⅢA族氮化物低维纳米结构也引起了物理与材料领域的重点关注。在结构上它们与石墨烯非常相似,都是由六边形组成的二维周期性蜂窝状点阵结构。但在电子结构上却与石墨烯截然不同,例如石墨烯是带隙为零的金属,而BN低维结构则是宽带隙半导体。对ⅢA族氮化物低维纳米结构进行掺杂是对其电磁性质进行调控的简单而有效的手段,特别是用金属原子进行掺杂不仅能减小其带隙,更能引入磁性。本论文基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了金属掺杂或吸附的BN、Ga N、Al N以及In N等二维单层和纳米带结构的电子结构及磁性,并以半金属性为全文研究重点。全文主要内容如下:(1)研究了贵金属Ag掺杂ⅢA族氮化物(Al N、Ga N和In N)单层二维结构的电子结构和磁性。结果发现Ag低浓度掺杂ⅢA族氮化物单层是自旋极化的并获得了2.0个玻尔磁子。Ag掺杂Al N和Ga N单层基态存在铁磁性和反铁磁性两种可能,而Ag掺杂In N基态展示了良好的铁磁性,并展现了半金属行为。通过控制掺杂的浓度,我们可以调整半金属带隙的大小:随着掺杂浓度的增加,Ag掺杂导致的半金属带隙会减少。以上结果表明Ag掺杂ⅢA族氮化物展现了丰富各异的电磁特性,通过合适的掺杂浓度和位置,可以实现室温铁磁性,这为今后微电子和自旋开关器件的设计和应用提供了一种可行方案。(2)研究了锯齿形氮化镓纳米带(ZGa NNRs)的两个边界进行不同氢化处理时相应结构的电磁性质。计算结果表明,当纳米带的N边界被钝化后,不管Ga边界是否被钝化,这两种结构都是宽带隙的半导体。而当N边界未被钝化时,这两种结构都是铁磁性的半金属。其半金属性主要来源于N的2p轨道与Ga的4p轨道的强相互作用。此外,随着纳米带宽度的递增,Ga边界氢化而N边界未氢化的Ga N纳米带的半金属带隙在一个很大的范围内单调递减。ZGa NNRs半金属带隙的可调性在电子、自旋电子装置以及对半金属带隙值有特定要求的器件方面具有重大的应用前景。(3)研究了铁链单侧边界钝化型的锯齿形氮化硼纳米带(Fe-terminated ZBNNRs)和铁链连接型的锯齿形氮化硼纳米带(Fe-jointed ZBNNRs)的电子结构及磁性。对于不同的纳米带宽,Fe-terminated ZBNNRs始终是半导体,而对于不同带宽的氮化硼纳米带,Fe-jointed ZBNNRs则始终是半金属。这两种结构的磁性都主要来源于外来的铁原子。Fe-jointed ZBNNRs的半金属性源于Fe原子的3d轨道与N原子的2p轨道间的强耦合作用。通过分子动力学模拟,我们进一步证明了该铁链连接型结构在常温下是可以稳定存在的。Fe-jointed-ZBNNRs体系对于两种不同自旋方向电子的选择过滤作用在自旋电子学器件上具有广泛的应用潜力。另外,我们进一步研究了其它各种不同的过渡金属所形成的连接型的锯齿形氮化硼纳米带(简称为M-jointed ZBNNRs),发现了丰富各异的电磁特性。计算结果表明它们既可以是金属型的、半金属型的,也可以是半导体型的,并且基态各异。(4)研究了铁原子嵌入的含5-8-5线缺陷锯齿形氮化硼纳米带的电子结构和磁性。计算结果表明,对于含不同二聚物(B2,N2,C2)的线性缺陷构型,铁原子都将嵌入到八元环的中心,然后沿着线缺陷形成一条原子链。这些系统的基态是铁磁态,但其电子结构明显不同。含B2或N2二聚物的系统是带隙极小的半导体,而含C2二聚物的系统则是半金属。对于半金属结构,Fe的3d轨道与C的2p轨道间的强相互作用将未嵌入铁链的含线缺陷的BN纳米带从半导体变成了半金属。此外,其它过渡金属替代Fe原子嵌入含5-8-5线缺陷锯齿形氮化硼纳米带系统中也发现了半金属铁磁性。以上系统的电磁性质与嵌入的金属以及线缺陷类型息息相关。以上结果不仅提供了一种能有效调控氮化硼纳米带带隙大小的方法,并且所得到的半金属室温铁磁性在自旋电子器件上有着极大的应用潜力。
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O469

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本文编号：1280345