【摘要】：自從石墨烯發(fā)現(xiàn)以來,低維層狀材料引起了人們極大的研究興趣。當材料被剝至單層或少層時,由于量子限域效應,將呈現(xiàn)出不同于塊體狀態(tài)的新性質(zhì)。隨著人們對層狀材料研究的不斷深入,許多具有特殊性能的新材料被不斷發(fā)現(xiàn),使其在自旋電子學、磁性材料、催化材料、新能源等領(lǐng)域有著廣闊的應用前景。為了改善在實際應用中的性能,通常需要對層狀材料的電子結(jié)構(gòu)進行調(diào)控。目前,對材料的電子結(jié)構(gòu)進行精細調(diào)控已成為新材料設(shè)計的一個熱點。本論文采用基于密度泛函理論的第一性原理方法,通過摻雜和修飾的方式來研究一些層狀材料在納米自旋電子學和光催化分解水等領(lǐng)域中的應用。主要內(nèi)容如下:(1)第一周期元素摻雜對單層AlN體系電子結(jié)構(gòu)和磁性的調(diào)控。單層AlN是非磁性半導體,為了實現(xiàn)其在自旋電子器件中的應用,我們提出用Be、B、C摻雜改性的方法使其產(chǎn)生磁性,其中Be替代Al,而B、C替代N位置。該方法可以避免磁性元素摻雜而形成的磁性團簇和磁二次相的干擾。計算結(jié)果顯示Be和C摻雜時可以在單層AlN中引入磁性,但B替代N時體系仍然是非磁性半導體。計算結(jié)果進一步揭示隨著摻雜原子間距的增加,C摻雜體系轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?而Be摻雜體系始終保持穩(wěn)定的鐵磁性,這種長程鐵磁性耦合可以通過空穴調(diào)制的p-p耦合作用來解釋。(2)缺陷工程對二維層狀K2CoF4體系電子結(jié)構(gòu)和磁性的調(diào)控。我們通過理論模擬從層狀塊體材料中可以剝離出穩(wěn)定的二維層狀K2CoF4體系,其基態(tài)構(gòu)型是反鐵磁態(tài)半導體。當存在K空位缺陷時,體系的基態(tài)構(gòu)型仍然保持反鐵磁態(tài)。但是在適當?shù)睦鞈ψ饔孟?K空位缺陷體系可以轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁半金屬態(tài),而且鐵磁態(tài)的穩(wěn)定性隨拉伸應力的增加而增強,這種鐵磁性來源于p-d交換相互作用�；诤ＩつＰ偷拿商乜_方法模擬了在2%拉伸應力狀態(tài)下K空位缺陷體系的居里溫度,發(fā)現(xiàn)其居里溫度遠高于室溫,表明含有K空位缺陷的二維層狀K2CoF4體系在納米自旋電子器件中有著潛在的應用。(3)等價的陰陽離子摻雜對二維層狀GaS體系光催化分解水性能的調(diào)控。二維層狀GaS由于帶隙較大(3.22 eV),只能吸收太陽光譜中很少部分的紫外光。為了減小帶隙,提高其可見光活性,我們提出了用等價陰陽離子摻雜的方法,即O、Se和Te替代S位置,而Al、In、Sc和Y替代Ga位置。計算結(jié)果顯示,Se、Al和In原子摻雜對體系的電子結(jié)構(gòu)幾乎沒有影響,但Te原子摻雜時價帶頂發(fā)生了輕微的上移。然而O原子摻雜可以顯著地降低帶隙,但體系的導帶底低于水的還原勢。對于Sc和Y原子摻雜時,不僅可以有效地降低帶隙,而且?guī)н呂恢萌匀豢缭剿难趸�原勢。對于(Sc,Te)和(Y,Te)共摻體系的帶隙可以得到進一步地降低,而且?guī)н呂恢门c水的氧化還原勢匹配得更好。其中(Y,Te)共摻體系由于具有較好的可見光吸收能力和能帶匹配位置而被認為是一個理想的可見光分解水催化劑。然后我們對GaS1-xTex(x=0、0.125、0.25、0.5、0.75、0.875、1)體系的光催化分解水性能進行研究。發(fā)現(xiàn)二維層狀GaS0.5Te0.5體系是一個理想的可見光分解水催化劑,因為該體系不僅是一個直接帶隙半導體(2.09eV),而且不論在酸性還是在中性溶液中,其帶邊位置都跨越水的氧化還原勢。除此之外,載流子沿Γ-K方向的有效質(zhì)量遠小于二維層狀GaS和GaTe體系,這有利于載流子能夠迅速地遷移到催化劑表面參與催化反應。(4)二維層狀I(lǐng)VB族氮鹵化物MNX體系及其MNX/GaS異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)調(diào)控。β相的IVB族氮鹵化物MNX(M=Zr、Hf;X=Cl、Br、I)屬于層狀塊體材料,層間距離幾乎都大于3.0 A�；诿芏确汉碚摲椒�,我們探討了從層狀塊體材料中可以剝離出穩(wěn)定的二維層狀MNX體系的可能性。電子性質(zhì)計算發(fā)現(xiàn)二維層狀MNX體系都是非磁性的間接帶隙半導體,帶隙分布從1.55到3.37eV,其中MNI體系具有光催化分解水所需的合適的帶隙和較好的電荷分離。為了實現(xiàn)其它二維層狀材料的電荷分離,我們進一步研究了由MNX(M=Zr、Hf;X=Cl、Br)與GaS形成的異質(zhì)結(jié)。理論計算表明MNX/GaS異質(zhì)結(jié)屬于type-II型能帶結(jié)構(gòu),有利于電子和空穴的分離,而且在雙邊應力作用下,帶隙和帶邊位置可以得到進一步調(diào)控。這些結(jié)果說明二維層狀MNI及其MNX/GaS異質(zhì)結(jié)在光電器件中具有潛在的應用價值。
【圖文】：

墨［１６１。在形成石墨烯時，每個單胞中含有兩個等價的Ｃ原子。相鄰的Ｃ原子通過面內(nèi)逡逑軌道雜化形成三個0鍵，，Ｃ－Ｃ鍵之間夾角為１２０°，從而使石墨烯形成周期性六角蜂窩狀逡逑的二維平面點陣結(jié)構(gòu)，如圖１．２（ａ）所示。而相鄰的Ｃ原子通過面外軌道相互作用形成一逡逑２逡逑

邐若千層狀材料的磁性和光催化分解水性能調(diào)控的理論研[傚義細隼胗虻模罰奔涑杉罰焙頭醇罰保直鴯鉤墑〉募鄞偷即�。淤p跡保玻ǎ猓┛懾義弦鑰闖齙即圖鄞詵衙啄薌洞ο嘟�，磦蝤表现畴h憒兜奶氐恪６曳衙啄薌陡澆膩義系繾猶芏確淺５納伲負蹺悖�，紖舱E祭鐫ㄇ爍叨猿頻憒δ艽納⒐叵凳竅咝緣�，辶x險獠煌詿嘲氳繼迮孜鏘咝緣納⒐叵怠Ｕ庵侄撈氐南咝閱艽⒐叵當?shù)a魘┰阱義細么Φ繾雍涂昭ǖ撓行е柿拷莆�，具有窚\８叩腦亓髯憂ㄒ撲俾�。赖Z墼ぱ栽謔椅洛義咸跫略亓髯憂ㄒ撲俾蝕锏劍

本文編號：2624236