本文選題：石墨烯納米帶　切入點：磷化硼　出處：《南京航空航天大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：納米材料因其諸多的新奇性質(zhì)和在未來納米器件中的潛在應(yīng)用受到了國際科技界的廣泛關(guān)注。不同于傳統(tǒng)的塊狀體材,低維納米材料具有顯著的量子限制效應(yīng)、尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)等。從零帶隙的石墨烯,到半導(dǎo)體性的黑磷和過渡族金屬二硫?qū)倩衔?到絕緣的六方氮化硼以及近期興起的拓?fù)浣^緣體等,人們對二維納米材料的認(rèn)識無論是在理論研究還是實驗生長和表征方面都在不斷地加深。但是,基于這些納米材料的器件的工作原理以及設(shè)計還處于初步的階段,仍然有許多的物理現(xiàn)象和規(guī)律沒有得到了解和揭示,而對這些性質(zhì)的深入研究對于材料的性能優(yōu)化、功能控制至關(guān)重要。基于密度泛函原理的第一性原理研究,本文對石墨烯納米帶與氮化硼堆垛結(jié)構(gòu),類石墨烯二維材料及其納米結(jié)構(gòu)以及磷化硼納米薄膜進行了系統(tǒng)的物理力學(xué)研究。通過對這些二維材料的納米結(jié)構(gòu)施加應(yīng)變和電場,我們深入研究了它們的結(jié)構(gòu)、電子性質(zhì)和自旋磁性的變化,得到了豐富的力電磁耦合規(guī)律。研究內(nèi)容主要包括:(1)石墨烯和氮化硼納米帶堆垛結(jié)構(gòu)的力電磁耦合特性:基于自旋密度泛函理論的第一性原理方法,我們深入研究了六方氮化硼基底對石墨烯納米條帶的電子性質(zhì)和磁性的影響。研究發(fā)現(xiàn),在六方氮化硼基底的極化作用下,鋸齒型石墨烯納米帶變成了自旋相關(guān)的半導(dǎo)體,并且能在橫向電場的作用下很容易地實現(xiàn)半導(dǎo)體到半金屬的轉(zhuǎn)變,而扶椅型石墨烯納米帶的電子性質(zhì)卻幾乎沒有變化。當(dāng)鋸齒形石墨烯納米帶夾于兩層氮化硼帶之間形成類似三明治的納米結(jié)構(gòu)時,其電子性質(zhì)和邊緣磁性可以很容易地通過偏壓和層間距的變化有效調(diào)控,并能向半金屬轉(zhuǎn)變。我們將這種轉(zhuǎn)變的機制歸于氮化硼納米帶的極化增強效應(yīng)。與鋸齒型石墨烯納米帶在橫向電場作用下形成半金屬不同,我們通過偏壓調(diào)控鋸齒型石墨烯納米帶電子自旋性質(zhì)的設(shè)計與當(dāng)前半導(dǎo)體工業(yè)技術(shù)中的場效應(yīng)管十分相似,這為基于石墨烯材料的電子自旋器件的研究提供了新的思路。(2)新型類石墨烯二維材料及其納米結(jié)構(gòu)的電子自旋性質(zhì)的調(diào)控:通過第一性原理的計算,我們對兩種新型類石墨烯二維材料——六方硫化鈹和磷化硼單層及其納米結(jié)構(gòu)的電子自旋性質(zhì)進行了系統(tǒng)的理論研究。計算結(jié)果表明,二維硫化鈹是穩(wěn)定性很高的寬帶隙半導(dǎo)體,其納米帶的電子性質(zhì)則取決于納米帶的手性——扶椅型硫化鈹納米帶都具有半導(dǎo)體的性質(zhì),其中,邊緣裸露的硫化鈹納米帶的帶隙幾乎不隨納米帶寬度的變化而變化,但是它們卻對外界電場很敏感,表現(xiàn)出很強的斯塔克效應(yīng),并且,納米帶寬度越寬,電場調(diào)控的效果越明顯,越容易實現(xiàn)半導(dǎo)體到金屬的轉(zhuǎn)變;鋸齒型硫化鈹納米帶則表現(xiàn)為自旋玻璃態(tài),其自旋極化的電子主要來自于邊緣鈹原子的2p軌道。特別地,當(dāng)邊緣的鈹原子和硫原子鐵磁耦合時,鋸齒型硫化鈹納米帶的磁矩可以達(dá)到1.15μB。二維磷化硼的帶隙與當(dāng)前半導(dǎo)體工業(yè)中的硅十分相近,但是其電子有效質(zhì)量卻比硅小了一半,因而會具有比硅更高的遷移率,有望在新型二維半導(dǎo)體材料中發(fā)揮重大作用。我們發(fā)現(xiàn)應(yīng)變可以對二維磷化硼的電子性質(zhì)進行有效的調(diào)控,使其展現(xiàn)出不同于絕大多數(shù)半導(dǎo)體的帶隙藍(lán)移。當(dāng)被部分氫化時,二維氮化硼會由半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)榇判越饘?自旋極化的電荷密度主要局域于未與氫成鍵的原子上,并且體系的磁矩隨著應(yīng)變的增加線性地增加。(3)立方磷化硼納米薄膜在電場以及應(yīng)變作用下的表面磁性及調(diào)控:立方磷化硼是近乎透明的半導(dǎo)體材料,不具有磁性。我們基于自旋密度泛函理論的第一性原理計算發(fā)現(xiàn)立方磷化硼納米薄膜的(1 1 1)面具有磁性,并且磁性是由納米薄膜的自發(fā)極化誘發(fā)的自旋極化電子在費米面的非平衡占據(jù)所導(dǎo)致的。特別地,這種表面磁性與納米薄膜的厚度有關(guān),并且表現(xiàn)出優(yōu)異的線性磁電效應(yīng),并可以應(yīng)變調(diào)控。有趣的是,當(dāng)納米薄膜的厚度低于4個原子層厚時,立方磷化硼會發(fā)生相變,形成類似于六方氮化硼的層狀結(jié)構(gòu)。無論單層還是雙層的六方磷化硼都是直接帶隙的半導(dǎo)體。隨著實驗技術(shù)的進步,立方氮化硼已經(jīng)能在實驗室可控生長,對立方磷化硼納米薄膜的電子自旋性質(zhì)及調(diào)控的研究對指導(dǎo)實驗工作具有重要的意義。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TB383.1

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 譚智實;;美發(fā)現(xiàn)石墨納米帶可取代硅成為半導(dǎo)體新材料[J];功能材料信息;2008年03期

2 袁頌東;曹小艷;王小波;石彪;汪金方;;摻銀二氧化鈦納米帶的制備及其光催化性能研究[J];材料工程;2009年10期

3 楊志雄;楊金新;劉琦;謝禹鑫;熊翔;歐陽方平;;扶手椅型二硫化鉬納米帶的電子結(jié)構(gòu)與邊緣修飾[J];物理化學(xué)學(xué)報;2013年08期

4 ;留美中國專家發(fā)現(xiàn)并合成“納米帶”[J];世界科技研究與發(fā)展;2001年02期

5 ;納米帶[J];新材料產(chǎn)業(yè);2002年05期

6 楊棗;彭坤;袁緩;劉富生;胡愛平;;納米帶的研究進展[J];材料科學(xué)與工藝;2006年05期

7 ;石墨納米帶有望成半導(dǎo)體新材料[J];材料導(dǎo)報;2008年S2期

8 黃嵐;張宇;郭志睿;顧寧;;半胱氨酸誘導(dǎo)金納米帶室溫合成[J];科學(xué)通報;2008年20期

9 王卓華;;溫和條件下碲納米帶的穩(wěn)定性研究[J];建材世界;2009年04期

10 陳偉;付紅兵;姚建年;;1,3-二苯基-2-吡唑啉納米帶的制備及其光波導(dǎo)性質(zhì)[J];高等學(xué)�；瘜W(xué)學(xué)報;2010年03期

相關(guān)會議論文 前10條

1 周中軍;李志儒;黃旭日;孫家鐘;;氨基取代和鋰摻雜納米帶導(dǎo)致大的靜態(tài)第一超極化率[A];第十屆全國計算(機)化學(xué)學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2009年

2 楊冬;王非;翟雷應(yīng);梁建;馬淑芳;許并社;;氮化鎵納米帶的制備和表征[A];2006年全國功能材料學(xué)術(shù)年會專輯[C];2006年

3 王彥敏;堵國君;黃林勇;劉宏;王繼揚;;單晶鉍納米帶的制備與生長機制研究[A];中國晶體學(xué)會第四屆全國會員代表大會暨學(xué)術(shù)會議學(xué)術(shù)論文摘要集[C];2008年

4 劉宏;周偉家;趙振環(huán);田健;王繼揚;;二氧化鈦納米帶表面異質(zhì)結(jié)構(gòu):設(shè)計、制備和應(yīng)用[A];第十六屆全國晶體生長與材料學(xué)術(shù)會議論文集-08納米晶體及其表征[C];2012年

5 王立峰;;單層石墨納米帶的中彎曲波的非局部彈性理論研究及分子動力學(xué)模擬[A];第十二屆全國物理力學(xué)學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2012年

6 查文珂;何莉萍;;石墨烯納米帶摻雜球形磷酸鐵鋰的制備及性能[A];中國固態(tài)離子學(xué)暨電池材料青年學(xué)術(shù)論壇——論文摘要集[C];2013年

7 呂超;陳曉;靖波;;離子自組裝制備有機熒光納米帶[A];中國化學(xué)會第十二屆膠體與界面化學(xué)會議論文摘要集[C];2009年

8 李英;馬秀良;;ZnO納米帶的電子顯微學(xué)研究[A];第十三屆全國電子顯微學(xué)會議論文集[C];2004年

9 李英;徐舸;楊春娜;馬秀良;;正交相SnO_2納米帶的電子顯微學(xué)研究[A];2006年全國電子顯微學(xué)會議論文集[C];2006年

10 李大鵬;王冠中;;氧化物半導(dǎo)體超晶格納米帶自組裝生長和結(jié)構(gòu)表征[A];第十六屆全國半導(dǎo)體物理學(xué)術(shù)會議論文摘要集[C];2007年

相關(guān)重要報紙文章 前10條

1 柯仁;納米材料的新朋友“納米帶”[N];北京科技報;2001年

2 柏林記者　張兆軍;我合成首例單晶碲化物納米帶[N];科技日報;2007年

3 黃敏;光能“擰彎”物體[N];新華每日電訊;2010年

4 記者 李宏策 劉霞;新法制得高質(zhì)量石墨烯納米帶[N];科技日報;2014年

5 張小軍;留美中國專家發(fā)現(xiàn)并合成“納米帶”[N];大眾科技報;2001年

6 李宏策;石墨烯納米帶生產(chǎn)新工藝開發(fā)成功[N];科技日報;2012年

7 郝鋼;我國科學(xué)家合成世界首例單晶碲化物納米帶[N];中國有色金屬報;2007年

8 記者 劉霞;美首次“種”出石墨烯納米帶[N];科技日報;2013年

9 記者 張小軍;發(fā)現(xiàn)并合成“納米帶”[N];新華每日電訊;2001年

10 董映璧;新加坡用激光讓硫化鎘納米帶降溫40℃[N];科技日報;2013年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 宋玉玲;硅納米帶及氟飽和氮化鋁納米帶的第一性原理研究[D];陜西師范大學(xué);2012年

2 易均輝;鈦基底上一維二氧化鈦復(fù)合光催化劑的制備及其可見光催化性能研究[D];華南理工大學(xué);2015年

3 許冠辰;化學(xué)氣相沉積法控制合成低維過渡金屬硫族化合物的研究[D];山東大學(xué);2015年

4 衡伯軍;Cu_2O和CuO納微米材料的可控制備及性能研究[D];華中師范大學(xué);2013年

5 李兆國;拓?fù)浣^緣體Bi_2Te_2Se納米帶的量子相干輸運實驗研究[D];南京大學(xué);2014年

6 吳文志;類石墨烯二維材料及其納米帶的物理力學(xué)性能研究[D];南京航空航天大學(xué);2013年

7 白慧;硼球烯B_(40)的化學(xué)修飾[D];山西大學(xué);2015年

8 張小歐;新型低維材料電磁和輸運性質(zhì)的數(shù)值模擬研究[D];南京大學(xué);2015年

9 馬玲;改性石墨烯儲氫和氣敏性質(zhì)及硅納米帶摻雜特性的第一性原理研究[D];陜西師范大學(xué);2015年

10 鄭亞榮;基于廉價金屬復(fù)合材料電催化劑設(shè)計、合成及性能研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2015年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 孫霞;稀土鈣鈦礦型氧化物納米帶的制備及光催化性質(zhì)研究[D];長春理工大學(xué);2011年

2 孫楠楠;鈦碳二維結(jié)構(gòu)的理論研究[D];河北師范大學(xué);2015年

3 曹杉杉;鋰電池正極材料釩酸銨的制備及其性能研究[D];陜西科技大學(xué);2015年

4 陳潔;摻雜對鋸齒型硅烯納米帶輸運性質(zhì)的影響[D];蘇州大學(xué);2015年

5 徐龍;Ti原子吸附對鋸齒型硅烯納米帶的電、磁和熱電性質(zhì)的影響[D];蘇州大學(xué);2015年

6 姜彤彤;Au-Pd雙金屬催化劑的制備及其催化性能研究[D];山東大學(xué);2015年

7 龔乃良;稀土（Er~(3+),Yb~(3+)）摻雜SnO_2納米帶的制備及氣敏性質(zhì)研究[D];云南師范大學(xué);2015年

8 劉靖逸;鹵氧化鉍多級結(jié)構(gòu)的制備及其可見光催化性能研究[D];山東大學(xué);2015年

9 張選梅;鋸齒形硅烯納米帶電學(xué)性質(zhì)的第一性原理研究[D];重慶大學(xué);2015年

10 李敏;單面氫化石墨烯的結(jié)構(gòu)、能帶調(diào)控以及二硫化鉬納米帶的邊緣功能化的第一性原理研究[D];蘇州大學(xué);2015年

，

本文編號：1655389