【摘要】：隨著納米技術(shù)的發(fā)展以及器件的微型化,低維納米材料的研究日漸重要。核殼納米異質(zhì)結(jié)構(gòu)作為零維納米材料因其自身的量子尺寸效應、表/界面效應以及量子限域效應等,會產(chǎn)生許多不同于原始材料的優(yōu)異的光、電、磁、催化等物理化學性質(zhì)。研究表明貴金屬納米粒子與其他半導體材料相結(jié)合,有助于開發(fā)出多功能的新材料,特別是在光電領(lǐng)域,已經(jīng)成為納米材料研究領(lǐng)域的熱點之一。此外,隨著石墨烯的成功制備以及自旋電子學的發(fā)展,二維磁性納米材料已成為發(fā)展下一代電子器件的理想材料,尤其是二維本征鐵磁半導體,因其同時具有鐵磁性、半導體性質(zhì)以及超薄的結(jié)構(gòu)特征,將硅基半導體技術(shù)融入其中,能夠推動芯片技術(shù)發(fā)展,使得芯片匯集計算、存儲、通信和信息處理等多種功能,同時加快數(shù)據(jù)傳輸速度,降低能量耗損,且存儲的數(shù)據(jù)非易失,有望推動信息技術(shù)發(fā)生革命性的變化。本論文采用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法預測了零維金屬-金屬氧化物半導體核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)和二維磁性半導體納米材料的結(jié)構(gòu)性質(zhì),光學、磁學及電子性質(zhì)。主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下:(1)本文設(shè)計了一系列零維的Agn@(ZnO)42(n=6-18)核殼異質(zhì)納米結(jié)構(gòu),研究結(jié)果表明Ag13@(ZnO)42為相對最穩(wěn)定的核殼異質(zhì)納米構(gòu)型。其電子特性及光學性質(zhì)表明Ag團簇作為核內(nèi)嵌在ZnO外殼中時,可以大大提高ZnO對可見光的吸收。同時費米能級附近的Ag非占據(jù)態(tài)還可以捕獲從ZnO表面因光激發(fā)躍遷來的電子,延緩光生電子-空穴對的再復合,進一步提高ZnO的光催化效率。因此Ag13@(ZnO)42核殼異質(zhì)結(jié)構(gòu)有望在光電子器件和光催化領(lǐng)域得到廣泛應用。(2)核殼納米材料的性能與其結(jié)構(gòu)的多樣性密切相關(guān)。本工作構(gòu)建了一個與之前結(jié)構(gòu)不同的核殼模型,Ag12@(ZnO)30核殼納米結(jié)構(gòu),研究結(jié)果表明Ag12@(ZnO)30核殼納米結(jié)構(gòu)是一個磁性材料,磁性主要來源于Ag內(nèi)核和ZnO外殼界面處的部分O原子。與純的ZnO體材料相比,其在可見光區(qū)域具有很強的吸收峰。因此Ag12@(ZnO)30核殼異質(zhì)界面結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生微弱的磁性,并提高ZnO對可見光的吸收,為其在光電領(lǐng)域的應用奠定基礎(chǔ)。(3)二維的CrSiTe3是本征的鐵磁半自旋半導體,已被實驗工作通過機械剝離的方法獲得。本論文構(gòu)建了 15種帶有本征缺陷的CrSiTe3結(jié)構(gòu),利用第一性原理計算了體系的缺陷形成能,研究結(jié)果表明CrSi或SiCr本征反位缺陷在單層CrSiTe3中更容易產(chǎn)生。電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)表明這兩種缺陷使單層CrSiTe3變成了雙極磁性半導體(BMS),且其BMS性質(zhì)不受雙軸拉伸應變和外電場的影響。這兩個缺陷體系在室溫下也能夠穩(wěn)定存在。因此缺陷工程是獲取雙極磁性半導體的一種有效手段,同時這也為自旋電子器件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。(4)為了尋找本征的雙極磁性半導體,本工作利用第一性原理計算預測了單層GdI2的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子性質(zhì)。研究結(jié)果表明單層GdI2可以通過機械剝離的方法獲得,其具有良好的晶格和熱動力學穩(wěn)定性。有趣的是,它是一個間接帶隙的本征雙極磁性半導體,在體系中引入不同類型的載流子可以使其產(chǎn)生不同自旋方向的導電性通道。單層的GdI2還是很好的鐵谷材料,具有約130 meV的自發(fā)谷劈裂。且谷劈裂和雙極磁性半導體特性幾乎不受應變的影響。綜上所述,單層的GdI2在自旋電子器件和谷電子器件領(lǐng)域均具有潛在的應用價值,這將有利于量子信息工程的發(fā)展。
【圖文】：

度上進行設(shè)計和剪裁，內(nèi)核和外殼材料之間又存在相互耦合作用，因而具有逡逑許多不同于原始材料的獨特的光、電、磁、催化等物理化學性質(zhì)，在生物醫(yī)逡逑療、能源環(huán)境以及信息存儲等領(lǐng)域具有很大的應用價值［１７＿１９］，如圖１－１所示。逡逑－２０－逡逑

再者Ａｇ與ＺｎＯ復合的納米材料，還可以延緩光生電子－空穴對的再復合。因逡逑此Ａｇ與ＺｎＯ復合將有望提高ＺｎＯ納米材料對可見光的吸收，，進一步增強其逡逑在光電子器件和光催化領(lǐng)域的應用，如圖１－２所示。逡逑ＲｅｄｕＣｔｉ0ｎＶ邋＿邋Ｗ逡逑圖１－２在光催化反應過程中，光照射在金屬－金屬l#化物半導體核殼結(jié)構(gòu)表面時光生電逡逑子－空穴對的分離示意圖，圖片來源于１２７１逡逑目前眾多國內(nèi)外研究小組已經(jīng)合成了多種類型的Ａｇ／ＺｎＯ復合納米材料逡逑并研宄了其相關(guān)性能。如Ｍａｎｕｅｌ邋Ｍａｃｉａｓ－Ｍｏｎｔｅｒｏ等人合成了一種用Ａｇ納米逡逑粒子修飾ＺｎＯ空心納米棒的新型納米復合結(jié)構(gòu)，并討論了其生長機制與潤濕逡逑性。研究結(jié)果表明Ａｇ＠ＺｎＯ納米棒引起了顯著的表面等離子體效應和各向異逡逑性［２８，２９］］；邋Ｓｏｕｒａｖ邋Ｄａｓ等人研究了已合成的Ａｇ＠ＺｎＯ核殼納米結(jié)構(gòu)的光催化逡逑性能，其實驗結(jié)果表明Ａｇ＠ＺｎＯ核殼納米結(jié)構(gòu)有超強的光催化能力［３（）］；邋Ｙａｎ逡逑Ｚｈａｏ等人使用脈沖激光器首次在液相中合成了邋Ａｇ＠ＺｎＯ核殼納米結(jié)構(gòu)，并逡逑發(fā)現(xiàn)通過改變ＺｎＯ殼層的厚度可以很好的調(diào)節(jié)體系的表面等離子體效應［３１］；逡逑Ｍａｔｉ＇ａｓ邋Ｅ．邋Ａｇｕｉｒｒｅ研究小組明確闡釋了邋Ａｇ＠ＺｎＯ核殼結(jié)構(gòu)，ＺｎＯ覆蓋層可以逡逑－２２－逡逑
【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.1

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本文編號：2683223