二维金刚石和氮化硼纳米膜结构及物性的理论研究

发布时间：2017-03-29 09:13

  本文关键词：二维金刚石和氮化硼纳米膜结构及物性的理论研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：二维纳米膜材料是近几年来在材料领域里新颖的研究方向，具有重要的科学研究价值。自2009年石墨烯材料发现之后，触发人们开始寻找其它具有特殊性质和应用的二维材料。特别是二维金刚石(Diamond)和氮化硼(BN)纳米膜，其结构和性质对其取向、层数和表面功能化等具有强烈的依赖性，并且出现强表面效应和量子尺寸效应。本论文基于密度泛函理论的第一性原理计算，深入、系统地研究取向、层数、表面修饰等因素对二维金刚石和氮化硼纳米膜的结构稳定性和演化的影响，并通过分析能带结构、电子态密度和自旋磁矩等，获得与结构相关的电学及磁学性质变化规律，得到了如下创新性结果： (1)从体相金刚石垂直于111晶向截取出一层及多层具有原子级厚度的二维(111)金刚石纳米膜为初始结构，利用第一性原理CASTEP软件进行结构优化，研究随层数(n)变化引起的结构演变及相应的电学性质。当层数n6时，金刚石结构弛豫成寡层石墨烯;当6n11时，形成一种表面类石墨、内部类金刚石的渐变类石墨-金刚石结构（我们定义为Gradient-Graphite-Diamond-Like Structure,GGDL）；当n≥12时，金刚石相得以保留。据此我们提出了最薄（12层，厚度为2.47nm）二维金刚石纳米膜的概念。随层数的增加，该体系的导电性出现从半金属到半导体的变化。这种变化是与二维结构优化过程中原子间sp2向sp3杂化转化的过程相关的，电学性质的转变依赖于结构表面的弛豫程度及每层的电子成键情况。 (2)进一步得到了氢化二维金刚石纳米膜结构演化和电学、磁学特性与层数（n）及表面功能化的依赖关系。无论是单侧加氢还是双侧加氢都可以起到稳定金刚石结构的作用，并且随着层数的变化可以实现对能带的调控。双侧加氢的情况下，两层即可稳定，直接带隙半导体，带隙满足Eg(n)=Eg+A/n，具有量子尺寸效应，没有磁矩。单侧加氢的情况下，未加氢侧悬键的孤对电子引入了自旋，出现剩余磁矩。综合结构优化、分态密度以及自旋密度分布等因素，当n4时，在非加氢侧的层内（层间）C-C键长小于（大于）加氢侧，且C-C以sp2+x（0x1）杂化成键；随着层数的增加，非加氢侧以sp3成键为主，同时自旋劈裂的程度将增加。n4时，出现先增加，当n≥4时，非加氢侧的弛豫很小，而且和厚度相关的量子尺寸效应降低，带隙减小在0.74—1.17eV有减小的趋势，之后达到稳定值。这样在氢化体系中，可同时实现对二维金刚石纳米膜带隙和铁磁性的调控。 (3)研究了二维立方氮化硼(cBN)随着层数变化结构演化过程。当层数n7层时，(111) cBN纳米膜弛豫为平面六角氮化硼结构(hBN)，解释了至今没有观察到寡层cBN纳米膜的实验现象。获得了最薄的7层cBN纳米膜，即n7时，初始cBN结构弛豫很小，cBN纳米膜可以稳定存在。而二维BN纳米膜表面加氢有利于保持立方相，对于单侧加氢的结构，当BN纳米膜的N侧加氢(BN-H)在n1,以及BN纳米膜的B侧加氢(H-BN)在n4时，即可得到稳定的立方相纳米膜结构。单侧加氢对二维结构的稳定同样起到重要的作用，氢化可以改变B和N上的电子分布，形成sp3键，而随着层数的增加，体内立方相结构中sp3作用力增强，会抑制N侧向外弛豫，易于保持结构的稳定性。 (4)在二维BN纳米膜的性质研究方面，对于不加氢的氮化硼薄膜，n7时，重构的hBN纳米膜为直接带隙半导体，带隙在4.51 4.66eV之间，没有磁性。当n7时,稳定的cBN纳米膜具有金属特性及磁性，，总自旋磁矩为1.3μB（1×1晶胞），并且随着层数的增加，电学、磁学特性基本不发生变化。二维cBN纳米膜通过单侧加氢得到带隙大小为3.5eV的p型半导体（H-BN纳米膜）和3.1eV的n型半导体（BN-H纳米膜），且在非加氢侧出现了磁矩。对于H-BN纳米膜，当n=14时，总自旋磁矩为1.02 0.88μB之间；当n4时，磁矩为0.72μB。对于BN-H纳米膜，当n=1时，磁矩较小(0.69μB)；当层数n1时，总磁矩为0.97μB，上述两种情况，随着层数的继续增加，总的磁矩保持不变。通过对纳米膜表面原子杂化分析表明，磁矩的大小与不同层数BN纳米膜的两侧（有氢和无氢)表面的结构弛豫引起的杂化指数变化密切相关。 我们利用第一性原理计算预测了二维金刚石及cBN纳米膜结构，并深入研究了层数、表面功能化等因素对该类纳米膜材料的电学和磁学性质的调控，为发现低维金刚石、cBN结构相关的新现象和拓展其研究领域，并应用于红外自旋器件、光波导、量子隧道等纳米器件领域提出了新思路。
【关键词】：第一性原理计算 金刚石 氮化硼 二维纳米膜 结构和性质
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O484
【目录】：

• 中文摘要4-7
• Abstract7-14
• 第一章 绪论14-28
• 1.1 引言14
• 1.2 新型二维纳米材料14-23
• 1.2.1 碳14-19
• 1.2.2 氮化硼19-23
• 1.3 本文选题依据和主要研究内容23
• 参考文献23-28
• 第二章 理论基础与计算方法28-38
• 2.1 密度泛函理论28-29
• 2.2 交换关联函数29-31
• 2.2.1 局域密度近似29-30
• 2.2.2 广义梯度近似30-31
• 2.3 紧束缚理论31-32
• 2.4 密度泛函紧束缚方法32-33
• 2.5 CASTEP 简介33-34
• 2.6 本文使用的计算方法34-36
• 参考文献36-38
• 第三章 二维金刚石纳米膜的结构、电学及磁学性质38-50
• 3.1 引言38
• 3.2 结构演化和电学性质38-47
• 3.2.1 晶胞及计算参数选取38-39
• 3.2.2 二维金刚石纳米膜结构演化39-43
• 3.2.3 二维金刚石纳米膜的电学性质43-46
• 3.2.4 二维金刚石纳米膜的磁学性质46-47
• 3.3 本章小结47
• 参考文献47-50
• 第四章 氢化二维金刚石纳米膜的结构、电学及磁学性质50-60
• 4.1 引言50
• 4.2 结构演化和性质研究50-57
• 4.2.1 晶胞及计算参数选取50-51
• 4.2.2 氢化二维金刚石纳米膜结构演化51-53
• 4.2.3 氢化二维金刚石纳米膜的电学和磁学性质53-57
• 4.3 本章小结57-58
• 参考文献58-60
• 第五章 二维氮化硼（BN）纳米膜的结构及电学、磁学性质60-74
• 5.1 引言60
• 5.2 二维 BN 纳米膜结构演化及性质研究60-70
• 5.2.1 晶胞及计算参数选取60-61
• 5.2.2 二维 BN 纳米膜结构演化61-64
• 5.2.3 二维 BN 纳米膜电学性质研究64-66
• 5.2.4 二维 BN 纳米膜磁学性质研究66-69
• 5.2.5 双侧加氢二维 BN 纳米膜结构和性质研究69-70
• 5.3 本章小结70-71
• 参考文献71-74
• 第六章 结论与展望74-77
• 6.1 结论74-75
• 6.2 展望75-77
• 作者简历及科研成果77-80
• 致谢80-81

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