本文關(guān)鍵詞：二維金剛石和氮化硼納米膜結(jié)構(gòu)及物性的理論研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：二維納米膜材料是近幾年來在材料領(lǐng)域里新穎的研究方向，具有重要的科學(xué)研究價(jià)值。自2009年石墨烯材料發(fā)現(xiàn)之后，觸發(fā)人們開始尋找其它具有特殊性質(zhì)和應(yīng)用的二維材料。特別是二維金剛石(Diamond)和氮化硼(BN)納米膜，其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)對其取向、層數(shù)和表面功能化等具有強(qiáng)烈的依賴性，并且出現(xiàn)強(qiáng)表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)。本論文基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算，深入、系統(tǒng)地研究取向、層數(shù)、表面修飾等因素對二維金剛石和氮化硼納米膜的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和演化的影響，并通過分析能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度和自旋磁矩等，獲得與結(jié)構(gòu)相關(guān)的電學(xué)及磁學(xué)性質(zhì)變化規(guī)律，得到了如下創(chuàng)新性結(jié)果： (1)從體相金剛石垂直于111晶向截取出一層及多層具有原子級(jí)厚度的二維(111)金剛石納米膜為初始結(jié)構(gòu)，利用第一性原理CASTEP軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，研究隨層數(shù)(n)變化引起的結(jié)構(gòu)演變及相應(yīng)的電學(xué)性質(zhì)。當(dāng)層數(shù)n6時(shí)，金剛石結(jié)構(gòu)弛豫成寡層石墨烯;當(dāng)6n11時(shí)，形成一種表面類石墨、內(nèi)部類金剛石的漸變類石墨-金剛石結(jié)構(gòu)（我們定義為Gradient-Graphite-Diamond-Like Structure,GGDL）；當(dāng)n≥12時(shí)，金剛石相得以保留。據(jù)此我們提出了最�。�12層，厚度為2.47nm）二維金剛石納米膜的概念。隨層數(shù)的增加，該體系的導(dǎo)電性出現(xiàn)從半金屬到半導(dǎo)體的變化。這種變化是與二維結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中原子間sp2向sp3雜化轉(zhuǎn)化的過程相關(guān)的，電學(xué)性質(zhì)的轉(zhuǎn)變依賴于結(jié)構(gòu)表面的弛豫程度及每層的電子成鍵情況。 (2)進(jìn)一步得到了氫化二維金剛石納米膜結(jié)構(gòu)演化和電學(xué)、磁學(xué)特性與層數(shù)（n）及表面功能化的依賴關(guān)系。無論是單側(cè)加氫還是雙側(cè)加氫都可以起到穩(wěn)定金剛石結(jié)構(gòu)的作用，并且隨著層數(shù)的變化可以實(shí)現(xiàn)對能帶的調(diào)控。雙側(cè)加氫的情況下，兩層即可穩(wěn)定，直接帶隙半導(dǎo)體，帶隙滿足Eg(n)=Eg+A/n，具有量子尺寸效應(yīng)，沒有磁矩。單側(cè)加氫的情況下，未加氫側(cè)懸鍵的孤對電子引入了自旋，出現(xiàn)剩余磁矩。綜合結(jié)構(gòu)優(yōu)化、分態(tài)密度以及自旋密度分布等因素，當(dāng)n4時(shí)，在非加氫側(cè)的層內(nèi)（層間）C-C鍵長小于（大于）加氫側(cè)，且C-C以sp2+x（0x1）雜化成鍵；隨著層數(shù)的增加，非加氫側(cè)以sp3成鍵為主，同時(shí)自旋劈裂的程度將增加。n4時(shí)，出現(xiàn)先增加，當(dāng)n≥4時(shí)，非加氫側(cè)的弛豫很小，而且和厚度相關(guān)的量子尺寸效應(yīng)降低，帶隙減小在0.74—1.17eV有減小的趨勢，之后達(dá)到穩(wěn)定值。這樣在氫化體系中，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)對二維金剛石納米膜帶隙和鐵磁性的調(diào)控。 (3)研究了二維立方氮化硼(cBN)隨著層數(shù)變化結(jié)構(gòu)演化過程。當(dāng)層數(shù)n7層時(shí)，(111) cBN納米膜弛豫為平面六角氮化硼結(jié)構(gòu)(hBN)，解釋了至今沒有觀察到寡層cBN納米膜的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。獲得了最薄的7層cBN納米膜，即n7時(shí)，初始cBN結(jié)構(gòu)弛豫很小，cBN納米膜可以穩(wěn)定存在。而二維BN納米膜表面加氫有利于保持立方相，對于單側(cè)加氫的結(jié)構(gòu)，當(dāng)BN納米膜的N側(cè)加氫(BN-H)在n1,以及BN納米膜的B側(cè)加氫(H-BN)在n4時(shí)，即可得到穩(wěn)定的立方相納米膜結(jié)構(gòu)。單側(cè)加氫對二維結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定同樣起到重要的作用，氫化可以改變B和N上的電子分布，形成sp3鍵，而隨著層數(shù)的增加，體內(nèi)立方相結(jié)構(gòu)中sp3作用力增強(qiáng)，會(huì)抑制N側(cè)向外弛豫，易于保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。 (4)在二維BN納米膜的性質(zhì)研究方面，對于不加氫的氮化硼薄膜，n7時(shí)，重構(gòu)的hBN納米膜為直接帶隙半導(dǎo)體，帶隙在4.51 4.66eV之間，沒有磁性。當(dāng)n7時(shí),穩(wěn)定的cBN納米膜具有金屬特性及磁性，，總自旋磁矩為1.3μB（1×1晶胞），并且隨著層數(shù)的增加，電學(xué)、磁學(xué)特性基本不發(fā)生變化。二維cBN納米膜通過單側(cè)加氫得到帶隙大小為3.5eV的p型半導(dǎo)體（H-BN納米膜）和3.1eV的n型半導(dǎo)體（BN-H納米膜），且在非加氫側(cè)出現(xiàn)了磁矩。對于H-BN納米膜，當(dāng)n=14時(shí)，總自旋磁矩為1.02 0.88μB之間；當(dāng)n4時(shí)，磁矩為0.72μB。對于BN-H納米膜，當(dāng)n=1時(shí)，磁矩較小(0.69μB)；當(dāng)層數(shù)n1時(shí)，總磁矩為0.97μB，上述兩種情況，隨著層數(shù)的繼續(xù)增加，總的磁矩保持不變。通過對納米膜表面原子雜化分析表明，磁矩的大小與不同層數(shù)BN納米膜的兩側(cè)（有氫和無氫)表面的結(jié)構(gòu)弛豫引起的雜化指數(shù)變化密切相關(guān)。 我們利用第一性原理計(jì)算預(yù)測了二維金剛石及cBN納米膜結(jié)構(gòu)，并深入研究了層數(shù)、表面功能化等因素對該類納米膜材料的電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)的調(diào)控，為發(fā)現(xiàn)低維金剛石、cBN結(jié)構(gòu)相關(guān)的新現(xiàn)象和拓展其研究領(lǐng)域，并應(yīng)用于紅外自旋器件、光波導(dǎo)、量子隧道等納米器件領(lǐng)域提出了新思路。
【關(guān)鍵詞】：第一性原理計(jì)算 金剛石 氮化硼 二維納米膜 結(jié)構(gòu)和性質(zhì)
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O484
【目錄】：

• 中文摘要4-7
• Abstract7-14
• 第一章 緒論14-28
• 1.1 引言14
• 1.2 新型二維納米材料14-23
• 1.2.1 碳14-19
• 1.2.2 氮化硼19-23
• 1.3 本文選題依據(jù)和主要研究內(nèi)容23
• 參考文獻(xiàn)23-28
• 第二章 理論基礎(chǔ)與計(jì)算方法28-38
• 2.1 密度泛函理論28-29
• 2.2 交換關(guān)聯(lián)函數(shù)29-31
• 2.2.1 局域密度近似29-30
• 2.2.2 廣義梯度近似30-31
• 2.3 緊束縛理論31-32
• 2.4 密度泛函緊束縛方法32-33
• 2.5 CASTEP 簡介33-34
• 2.6 本文使用的計(jì)算方法34-36
• 參考文獻(xiàn)36-38
• 第三章 二維金剛石納米膜的結(jié)構(gòu)、電學(xué)及磁學(xué)性質(zhì)38-50
• 3.1 引言38
• 3.2 結(jié)構(gòu)演化和電學(xué)性質(zhì)38-47
• 3.2.1 晶胞及計(jì)算參數(shù)選取38-39
• 3.2.2 二維金剛石納米膜結(jié)構(gòu)演化39-43
• 3.2.3 二維金剛石納米膜的電學(xué)性質(zhì)43-46
• 3.2.4 二維金剛石納米膜的磁學(xué)性質(zhì)46-47
• 3.3 本章小結(jié)47
• 參考文獻(xiàn)47-50
• 第四章 氫化二維金剛石納米膜的結(jié)構(gòu)、電學(xué)及磁學(xué)性質(zhì)50-60
• 4.1 引言50
• 4.2 結(jié)構(gòu)演化和性質(zhì)研究50-57
• 4.2.1 晶胞及計(jì)算參數(shù)選取50-51
• 4.2.2 氫化二維金剛石納米膜結(jié)構(gòu)演化51-53
• 4.2.3 氫化二維金剛石納米膜的電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)53-57
• 4.3 本章小結(jié)57-58
• 參考文獻(xiàn)58-60
• 第五章 二維氮化硼（BN）納米膜的結(jié)構(gòu)及電學(xué)、磁學(xué)性質(zhì)60-74
• 5.1 引言60
• 5.2 二維 BN 納米膜結(jié)構(gòu)演化及性質(zhì)研究60-70
• 5.2.1 晶胞及計(jì)算參數(shù)選取60-61
• 5.2.2 二維 BN 納米膜結(jié)構(gòu)演化61-64
• 5.2.3 二維 BN 納米膜電學(xué)性質(zhì)研究64-66
• 5.2.4 二維 BN 納米膜磁學(xué)性質(zhì)研究66-69
• 5.2.5 雙側(cè)加氫二維 BN 納米膜結(jié)構(gòu)和性質(zhì)研究69-70
• 5.3 本章小結(jié)70-71
• 參考文獻(xiàn)71-74
• 第六章 結(jié)論與展望74-77
• 6.1 結(jié)論74-75
• 6.2 展望75-77
• 作者簡歷及科研成果77-80
• 致謝80-81

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2 許衛(wèi)東;唐東明;陳將偉;楊q

本文編號(hào)：274124