金刚石和氮化硼表面重构及功能化的结构和性质的理论研究

发布时间：2025-02-08 13:05

　　金刚石作为一种具有优异力学、热学、电学以及光学性能的宽带隙半导体材料,在高频、高功率、高温电子器件、光电器件、微机电系统等领域都有着广阔的应用前景。自石墨烯发现以来,新型二维材料的发现、表征以及应用的研究呈现指数级增长的趋势。因此,二维金刚石相关的新结构和新性质引起了人们的广泛关注,寻找具有稳定构型和新奇特性的低维金刚石材料便成为一项具有重要研究价值的课题。此外,材料的表面性质在界面、催化以及电子发射等领域有着广泛的应用,因此研究金刚石材料的表面结构、稳定性以及电学性质具有重要的意义。立方氮化硼的晶体结构与金刚石相似,并且也是一种宽带隙半导体,研究其表面结构和电学性质可以为实验合成以及实际应用提供理论基础。本文首先研究了二维（100）金刚石纳米膜的结构、稳定性以及电学性质随层数的变化规律,并通过表面氢化和氟化对纳米膜的结构特征和电学性质进行调控;其次,通过结构搜索和第一性原理计算,系统地研究了硼终端金刚石（100）面的稳定构型、电子亲和能和电学特性;最后,研究表面未重构和重构的立方氮化硼（111）面的结构稳定性,并通过表面氢化和氟化进一步探究表面的结构演化特性、电学和磁学性质,然后分析了...

【文章页数】：112 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

图1.15 金刚石（111）表面（2×1）重构的低能电子衍射像[45]。

表面重构一般产生于材料的解理,生长或是对材料进行溅射和退火处理的过程中。在材料的制备过程中,表面结构一般会重构到能量最低的结构。重构倾向于通过再次杂化使表面悬空键趋于饱和,或是转化成可能由孤对电子填充或全空的非成键电子态。此外,重构过程中也会减少表面的电荷积聚。金刚石主要有三个低....

图1.16 CALYPSO软件预测金刚石（100）表面的重构类型[49]。

金刚石（100）表面上每个原子包含两个悬空键,所以这样的（1×1）结构在能量上是不稳定的。相邻的表面原子通过形成π键的（2×1）二聚体结构,从而大大降低其表面能量。表面的二聚体构型中的双键会产生的π成键轨道和π*反键轨道的表面态,并处于电子能带结构中的能隙中[46,47]。这种....

图1.17（a）金刚石（110）和（b）（111）面未重构结构；（c）（111）面（2×1）Pandey链重构结构。

如图1.17a所示,纯净的（110）表面上两个原子层通过一些弛豫会形成π键连接的锯齿形链状结构,并且表层的碳原子之间的键长和键角与（111）表面Pandey（2×1）链非常接近[50]。这种构型与Pandey（2×1）链重构表面情况类似,可以使表层碳原子的悬空键饱和,达到稳定结构....

图1.18（a）六角型氮化硼,（b）立方型氮化硼,（c）纤锌矿型氮化硼。

氮化硼是一种常见的III?V族化合物,硼?氮键主要表现为共价键特性,但由于硼和氮之间电负性的差异,所以其中也包含一些离子键特性。外层价电子不同的轨道杂化方式导致了氮化硼产生了多种同分异形体（图1.18）,其中常见的有六方型氮化硼（h-BN）[75]、立方型氮化硼（c-BN）[76....

本文编号：4031568