石墨烯在實(shí)驗(yàn)上的成功制備,開(kāi)啟了納米材料研究的又一個(gè)黃金時(shí)代,維度的減少使石墨烯及其衍生物表現(xiàn)出一般傳統(tǒng)材料不具備的特性,這些奇特的性質(zhì)讓人們看到了石墨烯等低維材料廣闊的應(yīng)用前景,并成為材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。隨著計(jì)算機(jī)性能的快速提升和計(jì)算模擬方法的日益進(jìn)步,研究者們可以更加精確的設(shè)計(jì)和模擬低維納米材料的結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)等性質(zhì)。對(duì)高性能材料的追求是研究者們不懈奮斗的目標(biāo),在一維納米材料中,碳化硅納米條帶的結(jié)構(gòu)與石墨烯納米條帶類(lèi)似且具有獨(dú)特的電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì),其優(yōu)越的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性及良好的加工性能等特性吸引了大量理論和實(shí)驗(yàn)研究者們的關(guān)注,使其在納米電子器件等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。本論文借助第一性原理的密度泛函理論計(jì)算,系統(tǒng)研究了利用聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)、3d過(guò)渡金屬原子和磁性超鹵素MnCl_3對(duì)一維碳化硅納米條帶的表面修飾,及對(duì)碳化硅納米條帶的幾何結(jié)構(gòu)、電學(xué)性質(zhì)和磁學(xué)性質(zhì)的影響。對(duì)現(xiàn)有材料的功能化修飾是拓寬材料應(yīng)用前景的最有效途徑,而表面功能化修飾是理想的策略之一,在不破壞材料內(nèi)在結(jié)構(gòu)和原本性質(zhì)的同時(shí),進(jìn)一步豐富其性質(zhì)。我們將主要研究成果總結(jié)如下:聚合物聚偏氟乙烯以非共價(jià)相互作用的方式表面修飾鋸齒型碳化硅納米條帶,利用聚偏氟乙烯內(nèi)在的偶極性質(zhì)和吸電子能力來(lái)打破鋸齒型碳化硅納米條帶磁態(tài)能量簡(jiǎn)并的問(wèn)題,并調(diào)控其電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)。聚偏氟乙烯能夠穩(wěn)定的吸附在碳化硅納米條帶表面(吸附能為-0.436~-1.315 e V),并與基底碳化硅納米條帶之間發(fā)生了顯著的電荷轉(zhuǎn)移,聚偏氟乙烯的內(nèi)在偶極矩和吸電子作用使納米條帶平面的靜電勢(shì)發(fā)生了明顯變化,有效的調(diào)節(jié)其能帶結(jié)構(gòu)并克服了磁性簡(jiǎn)并的缺點(diǎn)。聚偏氟乙烯以四種不同空間構(gòu)型分別吸附在鋸齒型碳化硅納米條帶表面,均能打破碳化硅納米條帶的磁性簡(jiǎn)并問(wèn)題,并獲得單獨(dú)的鐵磁態(tài)金屬性體系或反鐵磁態(tài)半金屬性體系。利用3d過(guò)渡金屬原子(Ti、Cr、Mn、Fe和Co)表面修飾鋸齒型碳化硅納米條帶,詳細(xì)研究了3d過(guò)渡金屬原子對(duì)鋸齒型碳化硅納米條帶的電學(xué)、磁學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性的影響。過(guò)渡金屬原子具有獨(dú)特的d電子結(jié)構(gòu)和內(nèi)在磁矩,當(dāng)3d過(guò)渡金屬原子作用在納米條帶中心時(shí),由于過(guò)渡金屬原子的部分d電子轉(zhuǎn)移到基底并引起基底碳化硅納米條帶平面靜電勢(shì)的降低,進(jìn)而打破了其磁性簡(jiǎn)并,使體系顯示出單獨(dú)的鐵磁態(tài)或反鐵磁態(tài)的金屬性行為,且獲得的性質(zhì)與納米條帶寬度的變化無(wú)關(guān)。當(dāng)過(guò)渡金屬原子由納米條帶中心移到納米條帶邊緣時(shí),依然能打破其磁性簡(jiǎn)并,并獲得有趣的鐵磁態(tài)或反鐵磁態(tài)的半金屬性行為。由于條帶中心和硅/碳邊的活性不同以及過(guò)渡金屬d電子的成鍵不同等原因,過(guò)渡金屬原子在條帶中心、碳邊、硅邊的穩(wěn)定吸附位點(diǎn)略有不同,但都能穩(wěn)定的吸附在納米條帶表面,吸附能在-0.872~-4.304 e V之間,具有非常高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。所以表面吸附過(guò)渡金屬原子在調(diào)控鋸齒型碳化硅納米條帶電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)方面是一種十分有效的策略,這些結(jié)果將提升碳化硅基材料在納米電子自旋器件等領(lǐng)域的應(yīng)用潛能。超鹵素是一種具有比鹵素原子的電子親和能更高的一類(lèi)基團(tuán)或分子。因其具有很高的電子親和能,可以作為構(gòu)建安全性好、性能穩(wěn)定的新型高能密度材料的結(jié)構(gòu)單元。在過(guò)去的一段時(shí)間里,人們主要關(guān)注如何設(shè)計(jì)和合成新型的超鹵素,而在如何應(yīng)用超鹵素來(lái)調(diào)控材料的物理化學(xué)性質(zhì),以增強(qiáng)或?qū)崿F(xiàn)材料的功能化是尚未深入研究的領(lǐng)域。因此,我們?cè)敿?xì)研究了磁性超鹵MnCl_3對(duì)鋸齒型和扶手椅型兩種碳化硅納米條帶的表面修飾。結(jié)果顯示MnCl_3吸附在納米條帶表面可引入較大磁矩,并伴隨著電子由基底到MnCl_3的轉(zhuǎn)移,引起納米條帶平面靜電勢(shì)的顯著升高。對(duì)于鋸齒型碳化硅納米條帶,可有效克服其磁性簡(jiǎn)并,并獲得有趣的鐵磁金屬性質(zhì)和半金屬性質(zhì),而對(duì)于扶手椅型碳化硅納米條帶,其非磁態(tài)的半導(dǎo)體性質(zhì)被調(diào)控為鐵磁態(tài)半金屬和自旋無(wú)帶隙半導(dǎo)體性質(zhì)。在MnCl_3修飾的體系中,鐵磁態(tài)半金屬和自旋無(wú)帶隙半導(dǎo)體性質(zhì)不受納米條帶寬度的影響。MnCl_3修飾的所有體系都顯示出非常好的熱力學(xué)穩(wěn)定性,吸附能范圍是-1.430~-3.915 e V。
【學(xué)位單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TB383.1
【部分圖文】：

人們帶來(lái)了無(wú)盡驚喜的同時(shí)也開(kāi)辟了材料發(fā)展的又一個(gè)黃金時(shí)代。下面我們將認(rèn)識(shí)一下這一“神奇”的石墨烯！圖1.1 石墨烯演變?yōu)楦焕障�、碳納米管和石墨的過(guò)程示意圖。圖片摘自文獻(xiàn)[4]簡(jiǎn)而言之，石墨烯就是一個(gè)原子層厚的碳原子，具體的說(shuō)，碳原子以sp2雜化形式與周?chē)齻�(gè)碳原子成鍵，構(gòu)成蜂窩狀六元環(huán)的二維周期性點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。因碳原子之間具有烯烴類(lèi)物質(zhì)的基本要素-雙鍵[5]，所以被命名為石墨烯。如圖1.1 所示，單層的石墨烯通過(guò)翹曲、卷曲和堆砌等方法可分別得到零維的富勒烯、一維

圖 1.2 微機(jī)械剝離方法制備石墨烯的示意圖。A： 3 nm 厚的石墨烯置于 SiO2晶片上；B-D：有限層石墨烯和石墨烯的圖片；E是 D的器件示意圖。圖片摘自文獻(xiàn)[1]1.2.2 石墨烯的制備方法目前，實(shí)驗(yàn)上制備石墨烯的方法主要分為機(jī)械剝離法[14]、加熱 SiC 法[15]、金屬表面生長(zhǎng)法為代表的物理法和石墨氧化還原法[16]、化學(xué)裂解法[17]為主的化學(xué)法兩大類(lèi)。Geim 等人制備石墨烯的方法就是微機(jī)械剝離法（圖 1.2 所示），但此種方法制備的石墨烯尺寸不規(guī)整，并且過(guò)程繁瑣產(chǎn)率低。金屬表面生長(zhǎng)法是在高溫環(huán)境下使碳原子滲入金屬中然后冷卻，這樣碳原子析出并沉積于金屬表面形成石墨烯薄片，得到的石墨烯片層厚度均勻且易于分離。常用的金屬襯底有釕[18]、銥[19, 20]、鎳[21]和銅[22]等。Berger 等人[15]提出加熱 SiC 晶體制備石墨烯，將

等人[10]對(duì)石墨烯的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。在二維石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)中（圖1.4 所示），在第一布里淵區(qū)的六個(gè)頂點(diǎn)（K 點(diǎn)）處，導(dǎo)帶和價(jià)帶相交，電子和空穴的能量和動(dòng)量呈線(xiàn)性色散關(guān)系[41]：2 2 h ... ... ... ...1.1F x yE v k k式中 E 表示能量，h 是約化普朗克常數(shù)，6=1 10 /Fv m s 是費(fèi)米速度，xk 表示波矢x軸分量，yk 表示波矢的y軸分量。圖1.4 石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)示意圖。圖片摘自文獻(xiàn)[42]這種特殊的線(xiàn)性色散關(guān)系使電子和空穴在K點(diǎn)的有效質(zhì)量為零，運(yùn)動(dòng)方程與狄拉克方程中所描述的相對(duì)論自旋1/2粒子非常相似

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本文編號(hào)：2807539