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)用價值,比如納米電子和光學(xué)器件、熒光生物檢測和量子計算等。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,理論和實驗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)有大量的實驗及理論表明,納米體系的電子性質(zhì)受大小、形貌及對稱性的影響,通過用不同的原子或官能團修飾可進一步實現(xiàn)對體系的電子性質(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一定尺寸大小的納米金剛石進行遍歷搜索,對應(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大了納米金剛石的研究范圍,預(yù)測了實驗中沒有發(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,我們對體系結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子性質(zhì)進行了研究,發(fā)現(xiàn)兩種方法所得體系的能隙趨勢是一致的,驗證了DFTB方法的可靠性。此外,通過改變氫的化學(xué)勢可調(diào)控穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的構(gòu)型,納米金剛石的能隙會受體系穩(wěn)定性的影響。為了充分了解基團吸附在納米金剛石表面的機制,我們對硫吸附在金剛烷表面的路徑及勢壘進行了深入探討,對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,我們對硫原子位置及數(shù)目不同時對體系的電子性質(zhì)的影響進行了研究。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稱性均會影響其能隙分布,且C=S越多時,體系的能隙變小。通過將硫吸附在不同位置可實現(xiàn)體系能隙的調(diào)控,這將為電子器件的設(shè)計提供理論指導(dǎo)。研究表明,立方碳化硅納米材料是很好的紫外光和藍光的發(fā)射源。結(jié)合鍵能模型、第一性原理計算和Wang-Landau方法,我們對一定尺寸下的碳化硅納米晶體進行了系統(tǒng)研究,包括體系穩(wěn)定性、能隙與團簇尺寸、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)勢為變量的相圖,發(fā)現(xiàn)體系的碳、氫化學(xué)勢對H-SiCNCs的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起著關(guān)鍵作用,隨著化學(xué)勢的變化穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的構(gòu)型將發(fā)生改變且對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)勢的變化,穩(wěn)定結(jié)構(gòu)會發(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,后者的能隙會更大,而形貌為六面體時體系的最高占據(jù)分子軌道(HOMO)和最低未占據(jù)分子軌道(LUMO)會出現(xiàn)電荷分離。這表明通過控制碳和氫原子的化學(xué)勢可實現(xiàn)穩(wěn)定構(gòu)型的調(diào)控從而對電子納米器件進行設(shè)計。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算,我們對SiGe體系的穩(wěn)定性進行了研究,發(fā)現(xiàn)鍵能模型與第一性原理計算所得的體系穩(wěn)定性是一致的。此外,Si和Ge的比例及體系的形貌均會影響體系的電子性質(zhì),可實現(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 計算方法
    3.3 硫吸附在金剛烷表面形成C=S雙鍵的機制
    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 計算方法
        4.2.1 第一性原理計算方法
        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
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】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 李昀珺;鐵生年;李星;;碳化硅納米材料研究進展[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展[J];材料導(dǎo)報;2006年S1期

本文編號：2881726