【摘要】：低維薄膜材料為新型半導體器件的設計開發(fā)提供了豐富的資源。目前,在固體表面進行有機分子自組裝已被證明是制備此類低維納米結(jié)構(gòu)的一種有效方法。有機分子自組裝薄膜能通過表面/界面效應對半導體表面進行功能修飾,或者其本身就是良好的半導體材料。而且由于具有易于控制,可定制材料以滿足特定功能需求等優(yōu)點,以及在半導體材料的性能調(diào)控上具有很高的靈活性,因而有機分子自組裝薄膜在半導體器件方面有著廣泛的應用前景。除了有機分子自組裝薄膜材料以外,二維材料及其衍生的范德瓦異質(zhì)結(jié)和納米帶材料也可視為一類低維薄膜材料。通常二維材料由于晶體維度的下降和對稱性的改變往往展現(xiàn)出異于體相的光,電,磁,熱,力學等獨特的物理化學性質(zhì),故受到研究者的廣泛關注和研究。而近年來基于密度泛函理論的第一性原理方法在此領域取得了很多重大的研究進展,特別是對新型二維材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的預測。本論文基于密度泛函理論對兩類低維薄膜材料:CoPc/Bi(111)吸附體系與一維碲納米帶材料進行了第一性原理研究,主要針對幾何構(gòu)型和電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)等方面的研究。第一章首先介紹了與低維薄膜材料聯(lián)系密切的表面科學學科,其中重點敘述了表面/界面效應的概念與應用。此外對分子自組裝薄膜材料和二維材料的的研究狀況和應用作一個概述。第二章主要介紹了密度泛函理論基礎和方法。主要包括Hohenberg-Kohn定理和Kohn-Sham方程,以及密度泛函理論的核心問題:交換關聯(lián)泛函,接著介紹了近幾年發(fā)展的幾種范德華修正方法。最后我們還介紹了常見的基于密度泛函理論的計算軟件包。第三章主要利用第一性原理計算以及結(jié)合光電子能譜方法研究了CoPc/Bi(111)吸附體系的電子性質(zhì)。首先進行吸附能的計算以確立CoPc/Bi(111)吸附體系的最穩(wěn)定吸附構(gòu)型。計算了CoPc分子吸附前后的電子態(tài)密度以及差分電荷密度和Bader電荷并進行了相應分析,以揭示界面的電子結(jié)構(gòu)和電荷轉(zhuǎn)移機制。最后結(jié)合光電子能譜方法對計算結(jié)果進行了驗證。第四章利用第一性原理計算研究了單層與雙層碲納米帶的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)。首先計算碲納米帶的形成能,以確定影響其熱力學穩(wěn)定的因素。接著計算了各類型碲納米帶的能帶結(jié)構(gòu)并進行了相應的分析。第五章對本論文的主要工作進行了總結(jié)并提出展望。
【學位授予單位】：中國科學院大學(中國科學院上海應用物理研究所)
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.2
【圖文】：

在固體表面上進行分子自組裝受到分子與分子，吸附分子與襯底之間微妙的相互作用。其中分子間的相互作用屬于具有非共價鍵特征的弱相互作用，如氫鍵、vdW 力、偶極-偶極相互作用，π-π 相互作用，其復雜程度遠大于原子晶體中原子間的共價鍵相互作用[6]。這種非共價鍵的弱相互作用力使得自組裝體系處于一個平衡狀態(tài)，保證了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。此外，由于襯底的存在，分子自組裝薄膜的物理和化學性質(zhì)很大程度受到薄膜與襯底界面的相互作用的影響。例如Tzu-Chun Tseng 等人發(fā)現(xiàn)，在金屬表面與四氰基對醌二甲烷分子層之間的界面上的電子轉(zhuǎn)移，會導致界面的有機分子和金屬表面產(chǎn)生實質(zhì)性的結(jié)構(gòu)重組，而這些結(jié)構(gòu)重組又會通過新形成的應力場來調(diào)節(jié)的分子間相互作用[7]�？偟膩碚f，分子與分子，吸附分子與襯底之間的這種協(xié)同的相互作用，決定了分子的排列方式，進而決定了薄膜的宏觀構(gòu)型。這為分子自組裝薄膜的制備提供了多樣的調(diào)控手段，如改變分子的構(gòu)筑單元，襯底表面的化學成分和原子結(jié)構(gòu)以及襯底溫度等等。

第 1 章 緒論22]。不限于由單質(zhì)元素組成的二維材料，對于其它具有層狀結(jié)構(gòu)的二合物，如過渡金屬二硫族化合物(Transition Metal Dichalcogenides, TM金屬碳（氮）化物(MXenes)等，它們的單層結(jié)構(gòu)也逐漸被發(fā)現(xiàn)或合成到目前為止，已形成了一個種類繁多的龐大二維材料家族（如圖 1.2]，且隨著實驗條件的快速發(fā)展，將會有新的二維材料成員不斷地加維材料涵蓋了從范德華固體、絕緣體到半導體再到金屬，甚至是超導此，相比于體相材料，這些二維納米材料，具有超高的比表面積，使率大大提高。同時超薄的厚度賦予了它們很強的電子性能、機械靈活等優(yōu)點。所有這些使得二維材料有著前所未有的應用潛力。

石墨烯納米帶是最典型的例子，沿互相垂直的兩個方向切割可以得到扶手椅型(Armchair)和鋸齒形(Zigzag)的納米帶。理論和實驗研究發(fā)現(xiàn)扶手椅型納米帶是一個半導體，且?guī)杜c寬度成反比關系（見圖 1.3(a)的左側(cè)）[27, 28]。在其它二維材料的納米帶，如磷烯納米帶，也發(fā)現(xiàn)類似的比例關系[29]。而鋸齒形納米帶則具有磁性，表現(xiàn)出單邊鐵磁性，雙邊反鐵磁耦合的獨特性質(zhì)（見圖 1.3(a)的右側(cè)）[28]。有趣的是，如圖 1.3(b)所示，在外加電場的作用下，鋸齒形納米帶表現(xiàn)出半金屬的特性[30]。類似地，h-BN 納米帶的電子結(jié)構(gòu)和輸運性質(zhì)能夠通過外加電場進行調(diào)節(jié)[31]。因此，對于半導體或絕緣體的納米帶，外加電場實現(xiàn)對其電子性質(zhì)進行調(diào)控的一致簡易有效手段。總的來說，二維材料的納米帶由于存在邊緣電子態(tài)，呈現(xiàn)異于本征二維材料的電子性質(zhì)，因而為探索新型半導體材料提供了豐富多樣的選擇。

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本文編號：2746635