石墨烯和低维铁电材料的结构、性质及其调控的理论研究

发布时间：2017-10-01 17:36

  本文关键词：石墨烯和低维铁电材料的结构、性质及其调控的理论研究

  更多相关文章： 石墨烯 低维铁电材料 电子性质 调控 第一原理计算

【摘要】：低维材料是凝聚态物理和材料学领域的一个重要研究热点。量子限制、表面和界面效应使之具有三维体材料所没有的新奇量子特性。随着电子器件高度集成化和小型化的发展,低维新材料也将在下一代电子学器件中产生重要的应用。基于第一性原理方法,本论文系统地研究了石墨烯和低维铁电材料的原子结构、电子性质及其调控的方法,论文主要内容如下:通过制备石墨烯纳米带打开石墨烯能隙是解决石墨烯在未来电子学器件应用问题的一种方法,我们提出了通过可控氢化改变碳纳米管的π电子的边界条件的方式,实现石墨烯纳米带电子结构的重现。氢化的碳纳米管亦表现出和石墨烯纳米带相同的自旋极化边缘态和对称性依赖的量子输运特性。功能化石墨烯是解决石墨烯大面积生长和商业应用的一种重要途径。我们对于其电子结构的研究发现不同的功能化基团的吸附浓度和吸附构型决定了其电子结构为半导体型或金属性,这也是由于π电子的边界条件所决定,完美地解释了实验中对电导率测量的争议问题。碳化硅外延生长石墨烯是制备高质量石墨烯的一种关键手段。通过对碳化硅外延的石墨烯表面氢化处理而形成的界面磁性对于石墨烯的自旋电子学器件具有潜在的应用价值。我们研究了氢化外延石墨烯的界面磁性机制并提出了一种通过改变衬底碳化硅结构来调控界面磁性的方法,该机制的普适性也对于其他半导体异质结构的界面磁性提供了理论指导。以钛酸钡为代表的铁电材料在多铁异质结构中的应用对于高密度磁存储器件的发展具有重要意义,而铁电表面的结构和电子性质的调控对于异质结构的界面性质具有很大的影响。我们研究了铁电极化反转对铁电表面相图的影响,发现不同铁电极化条件下,表面稳定结构将发生变化,因此提出了一种通过加外电场来调控铁电材料表面结构的物理机制。
【关键词】：石墨烯 低维铁电材料 电子性质 调控 第一原理计算
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O469
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-24
• 1.1 引言8-10
• 1.2 石墨烯10-19
• 1.2.1 石墨烯的基本性质10-13
• 1.2.2 石墨烯的制备13-15
• 1.2.3 石墨烯的性质调控15-19
• 1.3 低维铁电材料19-21
• 1.3.1 多铁超晶格19-20
• 1.3.2 铁电薄膜20-21
• 1.4 问题与展望21-23
• 1.5 论文内容安排23-24
• 第2章 理论方法24-37
• 2.1 引言24-25
• 2.2 量子力学基础25-26
• 2.2.1 量子多体问题25
• 2.2.2 Born-Oppenheimer近似25-26
• 2.3 密度泛函理论26-32
• 2.3.1 Hohenberg-Kohn定理26-27
• 2.3.2 Kohn-Sham方程27-28
• 2.3.3 交换关联泛函28-30
• 2.3.4 自旋极化30
• 2.3.5 平面波和赝势方法30-31
• 2.3.6 Kohn-Sham方程的求解31-32
• 2.4 第一性原理非平衡格林函数方法32-36
• 2.4.1 Landauer B ¨uttiker方法32-34
• 2.4.2 非平衡格林函数方法计算透射率34-36
• 2.5 本章小结36-37
• 第3章 可控氢化碳纳米管制备石墨烯纳米带37-46
• 3.1 引言37-38
• 3.2 计算方法38-39
• 3.3 结果和讨论39-45
• 3.3.1 应力调控39-40
• 3.3.2 电子结构40-44
• 3.3.3 量子输运性质44-45
• 3.4 本章小结45-46
• 第4章 功能化石墨烯的电子结构研究46-55
• 4.1 引言46-47
• 4.2 计算方法47
• 4.3 结果和讨论47-53
• 4.3.1 结构稳定性47-48
• 4.3.2 电子结构48-50
• 4.3.3 紧束缚近似50-53
• 4.3.4 输运性质53
• 4.4 本章小结53-55
• 第5章 碳化硅外延石墨烯的界面磁性研究55-66
• 5.1 引言55-56
• 5.2 计算模型和方法56
• 5.3 结果和讨论56-64
• 5.3.1 局域磁矩56-58
• 5.3.2 长程磁序58-64
• 5.4 讨论64
• 5.5 本章小结64-66
• 第6章 极化对铁电薄膜表面相图的影响66-80
• 6.1 引言66-68
• 6.2 计算方法68-70
• 6.3 结果和讨论70-78
• 6.3.1 顺电相下的表面相图70-71
• 6.3.2 铁电相下的表面相图71-74
• 6.3.3 电子结构74-75
• 6.3.4 温度效应75-78
• 6.4 本章小结78-80
• 第7章 结论80-82
• 参考文献82-95
• 致谢95-97
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果97-98
• 个人简历97
• 在学期间参加的科研项目97
• 已发表的学术论文97-98
• 已投稿的学术论文98

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本文编号：954802