近年來,半導(dǎo)體納米晶體受到了廣泛的關(guān)注和興趣,并且引出了大量的潛在應(yīng)用價(jià)值,比如納米電子和光學(xué)器件、熒光生物檢測(cè)和量子計(jì)算等。而碳族元素(C、Si、Ge)作為重要的半導(dǎo)體材料在納米科學(xué)的發(fā)展中扮演著極其重要的角色。氫飽和過后的碳族納米晶體均保持著sp~3雜化的成鍵方式,比如納米金剛石以及硅納米晶體,理論和實(shí)驗(yàn)研究均表明這些材料是論證量子限制效應(yīng)的理想模型。已經(jīng)有大量的實(shí)驗(yàn)及理論表明,納米體系的電子性質(zhì)受大小、形貌及對(duì)稱性的影響,通過用不同的原子或官能團(tuán)修飾可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)體系的電子性質(zhì)的調(diào)控。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn),納米金剛石(C_(9))H_(8)))可視為不同數(shù)目的金剛烷堆疊而成,其中心的連線也可視為金剛石結(jié)構(gòu)的晶格團(tuán)簇。為了區(qū)分無法通過鍵能模型區(qū)分的同分異構(gòu)體,我們提出了一種新的命名法則對(duì)一定尺寸大小的納米金剛石進(jìn)行遍歷搜索,對(duì)應(yīng)的碳原子數(shù)目可從10到41間變化,不僅有效提高了搜索效率還擴(kuò)大了納米金剛石的研究范圍,預(yù)測(cè)了實(shí)驗(yàn)中沒有發(fā)現(xiàn)的納米金剛石。結(jié)合基于密度泛涵的緊束縛模型(DFTB)和第一性原理(DFT)方法,我們對(duì)體系結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子性質(zhì)進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)兩種方法所得體系的能隙趨勢(shì)是一致的,驗(yàn)證了DFTB方法的可靠性。此外,通過改變氫的化學(xué)勢(shì)可調(diào)控穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的構(gòu)型,納米金剛石的能隙會(huì)受體系穩(wěn)定性的影響。為了充分了解基團(tuán)吸附在納米金剛石表面的機(jī)制,我們對(duì)硫吸附在金剛烷表面的路徑及勢(shì)壘進(jìn)行了深入探討,對(duì)吸附的難易程度有了初步的了解。此外,基于所搜索得到的較大尺寸的納米金剛石,我們對(duì)硫原子位置及數(shù)目不同時(shí)對(duì)體系的電子性質(zhì)的影響進(jìn)行了研究。研究發(fā)現(xiàn),C=S的位置和數(shù)目以及所修飾的納米金剛石的大小和體系是否具有對(duì)稱性均會(huì)影響其能隙分布,且C=S越多時(shí),體系的能隙變小。通過將硫吸附在不同位置可實(shí)現(xiàn)體系能隙的調(diào)控,這將為電子器件的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。研究表明,立方碳化硅納米材料是很好的紫外光和藍(lán)光的發(fā)射源。結(jié)合鍵能模型、第一性原理計(jì)算和Wang-Landau方法,我們對(duì)一定尺寸下的碳化硅納米晶體進(jìn)行了系統(tǒng)研究,包括體系穩(wěn)定性、能隙與團(tuán)簇尺寸、形貌的關(guān)系。通過Wang-Landau方法,我們首先搜索得到了碳化硅納米晶體(H-SiCNCs)的可能結(jié)構(gòu),碳和硅原子的總數(shù)取值為10、14、18、22、26。通過以碳、氫化學(xué)勢(shì)為變量的相圖,發(fā)現(xiàn)體系的碳、氫化學(xué)勢(shì)對(duì)H-SiCNCs的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用,隨著化學(xué)勢(shì)的變化穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的構(gòu)型將發(fā)生改變且對(duì)于特殊外形的碳化硅納米晶體比如正四面體、正六面體、正八面體,隨著化學(xué)勢(shì)的變化,穩(wěn)定結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生正四面體與正八面體的演變,而正六面體均處于亞穩(wěn)態(tài)。對(duì)于相同尺寸的正四面體和正八面體狀的碳化硅納米晶體,后者的能隙會(huì)更大,而形貌為六面體時(shí)體系的最高占據(jù)分子軌道(HOMO)和最低未占據(jù)分子軌道(LUMO)會(huì)出現(xiàn)電荷分離。這表明通過控制碳和氫原子的化學(xué)勢(shì)可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定構(gòu)型的調(diào)控從而對(duì)電子納米器件進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于Si與Ge的晶格常數(shù)基本一樣,因此可以以任意比例混合。通過固定硅和鍺的原子總數(shù)(10,14,18,22),以之前得到的納米金剛石C_(9))H_(8))結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),我們遍歷得到了以任意比例混合的SiGe體系。結(jié)合鍵能模型和第一性原理計(jì)算,我們對(duì)SiGe體系的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)鍵能模型與第一性原理計(jì)算所得的體系穩(wěn)定性是一致的。此外,Si和Ge的比例及體系的形貌均會(huì)影響體系的電子性質(zhì),可實(shí)現(xiàn)體系的能隙在一定范圍內(nèi)可調(diào)。
【學(xué)位單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O613.7;TB383.1
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 納米金剛石
        1.1.1 納米金剛石的結(jié)構(gòu)
        1.1.2 納米金剛石的制備
        1.1.3 納米金剛石的光學(xué)性質(zhì)
        1.1.4 表面修飾的納米金剛石
    1.2 碳化硅納米晶體
        1.2.1 碳化硅納米晶體的結(jié)構(gòu)
        1.2.2 碳化硅納米晶體的性能
xGe_1-x納米晶體'>    1.3 Si_xGe_1-x納米晶體
    1.4 本文的研究意義、目的和內(nèi)容
第二章 納米金剛烴的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和電子性質(zhì)的研究
    2.1 研究背景
    2.2 方法論
        2.2.1 金剛烴命名法
        2.2.2 計(jì)算方法
nH_m（n=10～36）的穩(wěn)定性探討'>    2.3 C_nH_m（n=10～36）的穩(wěn)定性探討
nH_m（n=37～41）的能隙分布'>    2.4 C_nH_m（n=37～41）的能隙分布
    2.5 本章小結(jié)
第三章 硫修飾納米金剛烴電子性質(zhì)及穩(wěn)定性研究
    3.1 研究背景
    3.2 計(jì)算方法
    3.3 硫吸附在金剛烷表面形成C=S雙鍵的機(jī)制
    3.4 硫修飾納米金剛石的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性
    3.5 硫修飾對(duì)納米金剛烴電子性質(zhì)的調(diào)控作用
    3.6 本章小結(jié)
第四章 氫飽和碳化硅納米晶體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及電子性質(zhì)的研究
    4.1 研究背景
    4.2 計(jì)算方法
        4.2.1 第一性原理計(jì)算方法
        4.2.2 Wang-Landau方法
        4.2.3 鍵能模型
    4.3 H-SiCNCs的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性
    4.4 具有特殊形貌的H-SiCNCs的電子性質(zhì)
    4.5 穩(wěn)定H-SiCNCs的電子性質(zhì)
    4.6 本章小結(jié)
第五章 硅鍺納米晶體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子性質(zhì)的研究
    5.1 研究背景
    5.2 計(jì)算方法
    5.3 H-SiGeNCs的搜索
    5.4 H-SiGeNCs的穩(wěn)定性
    5.5 H-SiGeNCs的電子性質(zhì)
    5.6 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
攻讀博士/碩士學(xué)位期間取得的研究成果
致謝
附件

【參考文獻(xiàn)】

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1 李昀珺;鐵生年;李星;;碳化硅納米材料研究進(jìn)展[J];青�？萍�;2008年06期

2 張愛霞;蔡克峰;;一維碳化硅納米材料的研究進(jìn)展[J];材料導(dǎo)報(bào);2006年S1期

本文編號(hào)：2881726