【摘要】：金剛石具有寬禁帶、高熱導(dǎo)率、高硬度、化學(xué)惰性、生物相容性等獨(dú)特性質(zhì),在許多領(lǐng)域都有著非常廣泛的應(yīng)用。除了傳統(tǒng)的體金剛石,與金剛石相關(guān)的納米結(jié)構(gòu)也引起了人們的極大興趣,設(shè)計(jì)新的金剛石基納米結(jié)構(gòu),并發(fā)現(xiàn)新性質(zhì),成為一項(xiàng)重要科學(xué)前沿問題。自從2004年成功地從石墨中剝離出石墨烯以來,人們對(duì)二維材料的研究也越來越感興趣。繼本課題組研究了二維(2D)(111)金剛石的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)特點(diǎn)之后,本文基于(110)金剛石的表面相對(duì)比較穩(wěn)定的特點(diǎn),系統(tǒng)的研究了2D(110)金剛石納米膜的層數(shù)和表面氫修飾對(duì)其結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)的影響;此外,由于缺陷對(duì)金剛石的物理性質(zhì)有著顯著的影響,缺陷的研究是開發(fā)和應(yīng)用新材料的重要手段,與硅有關(guān)的缺陷通常存在于人工合成的金剛石中,硅空位因其作為量子信息處理設(shè)備單光子源的潛在用途而受到人們重視,因此,本文也將針對(duì)體金剛石和二維金剛石中與硅有關(guān)的缺陷結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和相關(guān)性質(zhì)開展研究工作。獲得了如下研究結(jié)果:1、利用第一性原理計(jì)算,研究無任何表面氫修飾和有表面氫化的2D(110)晶向金剛石納米膜依賴層數(shù)(n)的結(jié)構(gòu)演化和電學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明,對(duì)于n≤2的初始金剛石納米膜,其體相結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,將重構(gòu)為單層或雙層石墨烯。僅當(dāng)n≥3時(shí),便可以保持金剛石初始的體相結(jié)構(gòu)不變,這明顯小于之前報(bào)道的(111)金剛石納米膜的相變層數(shù)。此外,在二維金剛石膜的表面進(jìn)行了單側(cè)氫化(SH)和雙側(cè)氫化(FH),發(fā)現(xiàn)氫化結(jié)構(gòu)只出現(xiàn)很小的結(jié)構(gòu)弛豫,所以氫化有助于體相金剛石的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。無任何表面修飾(n≥3)和單側(cè)氫化的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出金屬性,而雙側(cè)氫化的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閹峨S層數(shù)n變化的半導(dǎo)體。因此,這表明通過層數(shù)n和表面功能化調(diào)制的二維(110)金剛石納米膜在碳族材料中是一個(gè)比較特殊的結(jié)構(gòu)。2、通過第一性原理計(jì)算,從理論上研究了金剛石中替代硅(Si _C)、空位(Vc)、硅-空位(SiV)和硅-雙空位(SiV_2)復(fù)合物雜質(zhì)與自旋和電荷態(tài)相關(guān)的電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)。其中,Si_C沒有表現(xiàn)出自旋劈裂,硅的摻雜對(duì)帶隙只產(chǎn)生了微弱的影響。帶電荷的(負(fù)電荷態(tài)和中性電荷態(tài))V_C、SiV和SiV_2雜質(zhì)在帶隙中引入比較平坦的雜質(zhì)能帶,可以看出這是由空位周圍的碳懸鍵引起的�？瘴粚�(duì)自旋劈裂產(chǎn)生的磁矩大小有著至關(guān)重要的作用,自旋取向?qū)ψ孕训哪芰坎罴安牧系拇判詴?huì)產(chǎn)生不同的影響。3、利用第一性原理計(jì)算研究摻雜硅以及硅空位復(fù)合物(SiV)的2D氫化雙層金剛石膜(2D-HBDF)的結(jié)構(gòu)、電學(xué)性質(zhì)和光學(xué)吸收性質(zhì)。其中,兩個(gè)不同格點(diǎn)位置的硅替代結(jié)構(gòu)(Si_C-I和Si_C-II)能量上穩(wěn)定,呈現(xiàn)出直接帶隙半導(dǎo)體特性。對(duì)于Si_C-I和Si_C-II與空位結(jié)合的情況,即Si _CV_C-I和Si_CV_C-II,帶隙中出現(xiàn)了雜質(zhì)態(tài)。對(duì)于Si_CV_C-I,基態(tài)是順磁性的,而Si_CV_C-II的基態(tài)是非磁性的,這取決于硅摻雜劑和空位的分布情況。與光學(xué)吸收有關(guān)的SiV金剛石在可見光區(qū)域表現(xiàn)出了較強(qiáng)的吸收。計(jì)算結(jié)果表明,在替代硅結(jié)構(gòu)中,引入的空位及其與碳和氫的相對(duì)位置對(duì)調(diào)節(jié)2D-HBDF的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)具有重要作用。本文理論預(yù)測(cè)的新型二維(110)納米膜有利于實(shí)現(xiàn)高性能金剛石基光電納米器件。摻雜金剛石通過改變帶隙或引入雜質(zhì)態(tài),可以有效地調(diào)制其電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)。硅摻雜及空位的引入提供了一種調(diào)制缺陷能級(jí)和磁性的方法,其中自旋特性和電荷態(tài)都發(fā)揮著重要作用。這些結(jié)果有助于構(gòu)建高性能的金剛石基SiV光電子和磁性新型金剛石器件。探索2D金剛石的新性質(zhì),并在各領(lǐng)域找到其潛在的應(yīng)用,具有重要的意義。采用硅摻雜的2D-HBDF將有助于構(gòu)建新型低維金剛石基光電器件。
【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】：2019
【分類號(hào)】：TQ163;TB34
【圖文】：

a a2 2a a2 200 原子，原子在原胞中的坐標(biāo)分別是（0,0,0體學(xué)單元（即晶胞）含有 8 個(gè)碳原子，碳原(,,)(,,)(,,)(,,)(,,0)(,0,)(0,,)(0,0,0)414343434143434341414141212121212121 1.1 所示。

形結(jié)構(gòu)的石墨烷結(jié)構(gòu)�；疑虮硎咎荚樱咨虮硎練湓拥牧切尉W(wǎng)格結(jié)構(gòu)[8]。型結(jié)構(gòu)中，碳 碳原子之間由共價(jià)鍵結(jié)合，并和氫原子在平面算的碳 碳鍵長(zhǎng) 1.52 ，與金剛石中成 sp3鍵的鍵長(zhǎng) 1.54 接近成 sp2鍵的 1.42 。船型結(jié)構(gòu)有兩種不同類型的碳 碳鍵：一面對(duì)側(cè)氫原子上的碳，鍵長(zhǎng)為 1.52 ；另一種是連接結(jié)合在平碳，鍵長(zhǎng)為 1.56 ，由于氫 氫排斥而鍵長(zhǎng)稍長(zhǎng)。在兩種結(jié)構(gòu)為 1.1 ，為典型碳?xì)浠衔锏逆I長(zhǎng)。兩種結(jié)構(gòu)的電學(xué)性質(zhì)非點(diǎn)處具有直接帶隙，對(duì)于椅型結(jié)構(gòu)，帶隙為 3.5 eV，對(duì)于船型eV。很明顯不同于體相結(jié)構(gòu)金剛石5.5 eV[9]和石墨烯0 eV[10]的墨烷的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)完全不同于石墨烯，具有類似于體相金剛石看到了二維金剛石存在的可能性。

氟化石墨烯的（a）能帶結(jié)構(gòu)和（b）導(dǎo)帶底（CBM）、（c）價(jià)帶頂密度分布[11]。于以上對(duì)石墨烯表面功能化的研究工作，2009 年，Chernozatonsk種新的基于雙層石墨烯的 C2H 納米結(jié)構(gòu)[12]，它是由吸附在表面的子之間，以及相鄰層中相對(duì)應(yīng)的碳原子之間，形成共價(jià)鍵的作用下它們形成厚度小于 1 nm 的二維（111）金剛石“薄膜”，如圖 1.4 所鍵長(zhǎng) dC2 C4= 1.52 ，dC3 C4= 1.53 ，鍵角∠(C1, C2, C4) = 107.石的結(jié)構(gòu)參數(shù)非常接近。金剛石“薄膜”是帶隙為 3.12 eV 的半導(dǎo)體比表面氫化的椅型石墨烷（3.5 eV）略小一些，遠(yuǎn)小于體相結(jié)構(gòu)金 5.5 eV[9]，PBE 方法計(jì)算值為 4.13 eV[13]）。通過密度泛函理論計(jì)剛石“薄膜”比 CH 石墨烷更加穩(wěn)定，其硬度比石墨烷更硬、更脆。

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本文編號(hào)：2803729