【摘要】：自旋電子學(xué)器件利用電子的自旋對信息進(jìn)行存儲、運(yùn)輸和處理,過去幾十年中在科學(xué)領(lǐng)域以及工業(yè)領(lǐng)域都引起了廣泛的關(guān)注。實(shí)用的自旋電子器件需要有較高的自旋極化率,居里溫度以及大的磁晶各向異性能等特點(diǎn)。另外,納米材料的研究及其應(yīng)用是凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)研究中的重要課題。在納米尺度上實(shí)現(xiàn)自旋電子器件的關(guān)鍵是研究具有上述性質(zhì)的低維鐵磁晶體。隨著石墨烯的快速發(fā)展,以及低維材料獨(dú)特多樣的電子結(jié)構(gòu),研究者對低維半金屬材料的研究興趣一直呈指數(shù)增長。但是由于碳材料中很難觀察到明顯的磁性,作為一種選擇,二維類石墨烯結(jié)構(gòu)的無機(jī)材料引起了人們的興趣。金屬有機(jī)框架材料(MOFs)是由金屬和多齒有機(jī)單元通過配位鍵自組裝成的一種多孔類沸石聚合物,它能夠形成一維、二維和三維的結(jié)構(gòu),從而被廣泛的研究。在設(shè)計MOFs材料時,根據(jù)所選擇的金屬種類,配體的尺寸和結(jié)構(gòu)或者空間位組等特點(diǎn)將會產(chǎn)生多種多樣的性質(zhì)。近年來,隨著密度泛函理論以及相關(guān)數(shù)值算法的發(fā)展,采用第一性原理的方法在原子尺度設(shè)計和研究磁性材料已經(jīng)成為重要的研究手段。在本論文中,我們使用第一性原理計算的方法,研究了理論預(yù)測的低維納米材料的基本電子結(jié)構(gòu)和磁性。本論文分為六章,主要有三部分,第一部分即第一章簡單地介紹了密度泛函理論。第二部分包括第二、三、四、五章,主要介紹了低維納米材料的基本性質(zhì)。第三部分介紹了金屬甲酸鹽框架[nH4][m(HCOO)3]的鐵電和鐵磁性。第一章主要介紹了密度泛函理論的發(fā)展。首先簡單介紹了量子力學(xué)的絕熱近似和Hartree-Fock近似,然后是Hohenberg-Kohn理論,Kohn-Sham方程,交換相關(guān)能量泛函以及兒個計算常見的軟件包。在最后部分,我們對Berry Phase理論計算電極化的方法做了具體的介紹。第二章介紹了新的二維結(jié)構(gòu)Fe2Si的電子性質(zhì)和磁性。在這個工作中,基于第一性原理計算和分子動力學(xué)模擬(AIMD),我們構(gòu)建了類石墨烯結(jié)構(gòu)的Fe2Si材料,結(jié)果表明單層Fe2Si晶體是鐵磁半金屬,并且結(jié)構(gòu)可以在高達(dá)1200K的高溫下保持穩(wěn)定。它具有約780K的居里溫度和相當(dāng)大的磁各項異性能,這些性質(zhì)使單層Fe2Si在自旋電子學(xué)器件和電子設(shè)備方面有很好的應(yīng)用前景。第三章主要使用雜化泛函HSE06計算了單層NbS2的電子結(jié)構(gòu)和磁性;不同于PBE泛函計算的結(jié)果,HSE06的計算顯示單層NbS2是窄帶隙的雙極磁性半導(dǎo)體,并且研究了不同類型的載流子摻雜以及施加應(yīng)變對電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)的改變。第四章簡單計算了從CrOX(X=Cl,Br)體相結(jié)構(gòu)中剝離出的單層CrOX的基本電子性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。第五章主要計算了一維的金屬有機(jī)框架結(jié)構(gòu)金屬-1,2,4,5苯四胺以及1,2,4,5苯酚的分子納米線。使用第一性原理的方法研究了這些納米線的穩(wěn)定性以及電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)。計算結(jié)果表明這些納米線的結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的,并且都是半導(dǎo)體的性質(zhì)。另外,我們也分析了載流子摻雜對電子結(jié)構(gòu)的影響。第六章研究了金屬甲酸鹽框架[NH4][M(HCOO)3][M=Sc-Zn]的鐵電極化以及磁性。首先,基于第一性原理的計算我們具體分析了[NH4][Zn(HCOO)3]鐵電現(xiàn)象的起因以及在順電相到鐵電相轉(zhuǎn)變過程中,電極化值和總能量的變化。緊接著,對各個結(jié)構(gòu)的鐵電極化值和電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)以及磁性進(jìn)行了計算和分析,除[NH4][Zn(HCOO)3]之外,其他的結(jié)構(gòu)都是同時具有磁性和鐵電性的材料。
[Abstract]:Spintronic devices use the spin of electrons to store, transport and deal with information. In the past few decades, a wide range of attention has been made in the field of science and industry. Practical spintronic devices require high spin polarization, Curie temperature and large magnetocrystalline anisotropy. Research and its application are an important subject in condensed matter physics and material science. The key to the realization of spintronic devices on nanoscale is the study of low dimensional ferromagnetic crystals with the above properties. With the rapid development of graphene and the unique and diverse electronic structure of low dimensional materials, the researchers have studied the low dimensional semi metal materials. Interest has been increasing exponentially. But because it is difficult to observe the apparent magnetism in the carbon material, as a choice, the inorganic material of the two-dimensional graphene structure has attracted people's interest. The metal organic frame material (MOFs) is a porous zeolite polymer assembled by the metal and multi tooth organic units through the coordination bond. It can form the form. A one-dimensional, two-dimensional and three-dimensional structure is widely studied. In the design of MOFs materials, a variety of properties will be produced according to the selected metal species, the size and structure of the ligand, or the spatial position. In recent years, with the development of the density functional theory and the related numerical algorithms, the method of first principle is adopted. The design and study of magnetic materials at atomic scale has become an important research method. In this paper, we use the method of first principle calculation to study the basic electronic structure and magnetic properties of the theoretically predicted low dimensional nanomaterials. This paper is divided into six chapters, including three parts. The first chapter, the first chapter, briefly introduces the density. Functional theory. The second part includes second, third, four, five chapters. The basic properties of low dimensional nanomaterials are mainly introduced. The third part introduces the ferroelectric and ferromagnetism of the formate [nH4][m (HCOO) 3]. The first chapter introduces the development of the density functional theory. First, the adiabatic approximation of quantum mechanics and the near Hartree-Fock are introduced. Yes, then the Hohenberg-Kohn theory, the Kohn-Sham equation, the exchange of the related energy functional and the common software package for computing. In the last part, we have made a specific introduction to the method of calculating the electrode of the Berry Phase theory. The second chapter introduces the electrical properties and magnetism of the new two-dimensional structure Fe2Si. In this work, the first character is based on the first nature. Principle calculation and molecular dynamics simulation (AIMD), we constructed the Fe2Si material of graphene like structure. The results show that the single layer Fe2Si crystal is ferromagnetic semi metal, and the structure can be stable at high temperature of up to 1200K. It has about 780K Curie temperature and considerable magnetic properties. These properties make the single layer Fe2Si in spin electricity. The third chapter mainly uses the hybrid functional HSE06 to calculate the electronic structure and magnetic properties of the single layer NbS2. Unlike the results of the PBE functional calculation, the calculation of HSE06 shows that the single layer NbS2 is a narrow band gap bipolar magnetic semiconductor, and the different types of carrier doping and application are studied. Changes in the properties of electronic structures. In the fourth chapter, the basic electronic properties and structural stability of the monolayer CrOX stripped from the CrOX (X=Cl, Br) body phase structure are simply calculated. The fifth chapter mainly calculates the one-dimensional metal organic frame structure metal -1,2,4,5 benzene four amine and the molecular nanowires of 1,2,4,5 phenol. The first principle is used. The stability of these nanowires and the properties of the electronic structure are studied. The results show that the structure of these nanowires is stable and the properties of semiconductors. In addition, we also analyze the effect of carrier doping on the electronic structure. In the sixth chapter, the ferroelectric polarization of the metal formate frame [NH4][M (HCOO) 3][M=Sc-Zn] is studied. First, based on the calculation of the first principle, we have analyzed the cause of the [NH4][Zn (HCOO) 3] ferroelectric phenomenon and the change of the electrode value and total energy during the phase to ferroelectric phase transition. Then, the ferroelectric polarization and the properties of the electronic structure and the magnetic properties of each structure are calculated and analyzed, except for the [NH4][Z. Besides n (HCOO) 3], other structures are materials with both magnetic and ferroelectric properties.
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O641.4;TB383.1

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本文編號：2120872