【摘要】：隨著石墨烯的成功制備,二維材料已是凝聚態(tài)物理的一個(gè)研究熱點(diǎn),其中硼烯具有異常豐富的結(jié)構(gòu)和性質(zhì),引起了廣泛的研究興趣。本文以六角硼格子和三角硼格子為基本框架,并以此提出幾種新型的二維硼烯材料,同時(shí)基于密度泛函理論,研究并分析了這些二維材料的基本性質(zhì)。主要內(nèi)容有:(1)由于單層六角硼格子本身不能穩(wěn)定存在,本文通過引入過渡族金屬原子修飾六角硼格子來(lái)提高體系的穩(wěn)定性,獲得了在動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)上都穩(wěn)定的單層六角硼烯體系:FeB_2、TiB_2和HfB_2,并計(jì)算了它們的電子結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明,三者均為狄拉克材料,不過狄拉克錐的能帶結(jié)構(gòu)并不來(lái)源于六角硼格子,而是以金屬原子的d軌道所主導(dǎo);這與通常的狄拉克材料有著較大的差異。目前已被報(bào)道的狄拉克錐大多來(lái)源于主族原子的p軌道,而本文的狄拉克錐有著完全不同的來(lái)源。(2)通過推廣有金屬原子修飾的單層六角硼烯的設(shè)計(jì)思想,將過渡金屬層置于兩層六角硼格子之間以同時(shí)修飾上下兩層硼格子,我們得到了三種夾層六角硼烯:CrB_4、MoB_4和WB_4,并通過聲子譜和分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算論證了它們的穩(wěn)定性。針對(duì)它們的電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算表明,三者的能帶都具有狄拉克錐的特點(diǎn),而且它們都比較少見地具有兩個(gè)不等價(jià)的狄拉克錐。與單層六角硼烯體系不同的是,夾層六角硼烯的雙錐既有金屬原子d軌道的貢獻(xiàn),同時(shí)又有六角硼格子p軌道的貢獻(xiàn)。(3)鑒于三角硼格子自身也不能穩(wěn)定存在,我們通過引入合適的非金屬修飾原子以穩(wěn)定三角硼格子體系。本文使用H原子修飾三角硼格子上的部分原子,得到了穩(wěn)定的B_3H體系;使用O原子作為橋聯(lián)原子同時(shí)修飾上下兩層三角硼格子,得到了穩(wěn)定的B_6O體系。電子結(jié)構(gòu)計(jì)算的結(jié)果表明,B_3H體系在K點(diǎn)處存在一個(gè)狄拉克錐,而B_6O體系在K點(diǎn)處具有兩個(gè)狄拉克錐。B_6O體系能帶中的雙錐分別位于費(fèi)米面的兩側(cè),由兩錐延伸出的能帶相交于費(fèi)米面附近,在費(fèi)米面上形成了一條閉合的連續(xù)曲線,這說(shuō)明B_6O體系具有節(jié)線半金屬的性質(zhì)。值得注意的是,關(guān)于B_3H和B_6O體系狄拉克錐的來(lái)源,既有未被修飾的B原子pz軌道的貢獻(xiàn),也有已被修飾的B原子的px和py軌道的貢獻(xiàn)。(4)為實(shí)驗(yàn)制備提供參考,本文分別計(jì)算了生長(zhǎng)在SiC基底上的FeB_2、TiB_2、HfB_2、MoB_4和WB_4以及生長(zhǎng)在AlN基底上的CrB_4、B_3H和B_6O的電子結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明,基底沒有破壞這些硼烯體系本征的能帶結(jié)構(gòu)特征,原有狄拉克錐依然存在;結(jié)合形成能與原子間距分析,可判斷出硼烯與基底間基本上是以范德瓦爾斯力結(jié)合,形成物理吸附。
【圖文】：

圖 1-1 石墨烯的晶體結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)[40]：(a)晶體結(jié)構(gòu)示意圖，(b)含有狄拉克錐的立體能帶結(jié)構(gòu)圖，(c)能帶結(jié)構(gòu)平面圖 (積分路徑為 G-M-K-G)但是，，當(dāng)石墨烯應(yīng)用在半導(dǎo)體微電子領(lǐng)域時(shí)，盡管遷移率極高，但是其帶隙過小(約 10-6eV)，該材料在常溫下只需熱激發(fā)就能導(dǎo)電，極不利于構(gòu)建晶體管等微電子器件，這對(duì)石墨烯的應(yīng)用造成很大的局限性。因此，為了突破這種局限性，一方面，科研工作者們?cè)噲D通過摻雜、應(yīng)力、原子或基團(tuán)修飾等多種[41-43]

并且會(huì)發(fā)生谷間自旋耦合，這一奇特的性質(zhì)有利于其在光電器件、微電子器件上的應(yīng)用[49-50]。圖1-2(c)(d)為單層 MoS2場(chǎng)效應(yīng)管(FET)的示意圖，單層 MoS2作為半導(dǎo)體通道連接著漏極和源極，并借助二氧化硅的絕緣層與金電極分開，通過調(diào)控柵極電壓來(lái)控制半導(dǎo)體的導(dǎo)電溝道進(jìn)而影響柵源回路間的電流�，F(xiàn)如今，許多實(shí)驗(yàn)室都已成功制備出了單層 MoS2場(chǎng)效應(yīng)管，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，這些 FET 設(shè)備能夠達(dá)到 107的開關(guān)比，并且具有較低的壓閾值擺幅[51]。在光電器件方面，相比于間隙半導(dǎo)體，直隙半導(dǎo)體可以直接發(fā)射或是吸收能量高于帶隙能量的光子，而不需要考慮電子動(dòng)量差的補(bǔ)償，因此比間隙半導(dǎo)體有著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，而許多的 TMDs 由塊體過渡到單層時(shí)能帶都會(huì)由間隙轉(zhuǎn)變?yōu)橹毕禰52]。作為光電探測(cè)器，片層 TMDs在紅外到紫外的光譜范圍內(nèi)具有較高的響應(yīng)速率，而且不同層數(shù)堆疊的 MoS2能帶結(jié)構(gòu)稍有差別
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O469

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1 胡德銀;;研究稀土化合物電子結(jié)構(gòu)的理論方法[J];安徽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1987年02期

2 汪義軍,曲筠,管蔭桐,唐雯霞,戴安邦,朱忠和,盧云錦;二氯嗎啉雙胍合銅(Ⅱ)的分子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)[J];無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào);1988年01期

3 徐建華;VAl_3的電子結(jié)構(gòu)與相[J];物理學(xué)報(bào);1988年10期

4 李永平;用擴(kuò)展OLCAO方法計(jì)算稀土Gd的電子結(jié)構(gòu)[J];物理學(xué)報(bào);1988年12期

5 李俊{

本文編號(hào)：2650149