本文關鍵詞：低維層狀材料結構及性質的理論研究

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【摘要】：石墨烯的成功制備激發(fā)了人們對其它低維材料的研究熱潮,包括石墨烯納米帶、二維硼碳化合物、過渡金屬族硫化物以及黑磷烯等等。隨著科技的飛快發(fā)展,運用相關軟件進行模擬計算已成為科學研究石墨烯及其它低維材料的重要手段。本文采用第一性原理,利用Vienna Ab-initio Software Package (VASP)對一些低維材料的結構和基本性質進行了研究,主要包括Z型石墨烯納米帶的電學性質和磁學性質,帶環(huán)形結構碳鏈(Cm-GNR)的電學性質和磁學性質,以及雙層黑磷烯的兩種不同堆垛結構,即平移堆垛和旋轉堆垛的電學性質。本文的具體研究內(nèi)容和所取得的研究結果如下：(1)通過調節(jié)Z型石墨烯納米帶的鋸齒型部分長度和扶手椅型寬度可以有效調節(jié)體系的電學性質和磁學性質。特別是,本文發(fā)現(xiàn)對于A4A4Z5Z0這樣一個特殊結構,其磁性基態(tài)為非磁性的,且?guī)稙榱�。以該結構為基礎,本文發(fā)現(xiàn)了這種具有零帶隙的Z型石墨烯納米帶的規(guī)律。分別加長其鋸齒型部分L1和L2會打開體系的帶隙,并且使得體系的磁性基態(tài)過渡到反鐵磁性。但是分別加寬其扶手椅型部分W1和W2時,體系仍保持為非磁性的金屬特性。且非對稱單邊加長L1或單邊加寬W1時的結果仍然與上述保持一致。即保持Z型石墨烯納米帶兩邊缺失的二聚線條數(shù)為3時,不論主莖加寬還是側邊加寬,體系仍保持為非磁性的金屬特性。這種零帶隙的Z型石墨烯納米帶因其金屬性具有比普通石墨烯納米帶更強的導電性,未來有望在納米電子器件中成為導電性較好的導線。(2)帶環(huán)狀結構的碳鏈Cm-GNR既可以是半導體特性,也可以是金屬特性,且這種特性與環(huán)形鏈上碳原子數(shù)目有關。本文保持直鏈上碳原子數(shù)目固定為偶數(shù),個別環(huán)形鏈較小的體系除外,當半邊環(huán)形鏈的碳原子數(shù)目(m)為奇數(shù)時,環(huán)形鏈中間部分出現(xiàn)雙鍵,體系基本上呈現(xiàn)出金屬特性,并且隨著環(huán)的增大,體系的磁性基態(tài)表現(xiàn)出亞鐵磁性；當m為偶數(shù)時,環(huán)形鏈中間部分為單鍵與三鍵交替的聚炔烴,體系則呈現(xiàn)出半導體特性,且體系的磁性基態(tài)都為反鐵磁性。(3)此外,我們也模擬了窄帶碳鏈生長變化的過程。最初兩條鋸齒型石墨烯納米帶之間通過一條窄的納米帶進行連接,隨后中間的窄納米帶逐漸變成兩條碳鏈,再之后兩條碳鏈慢慢變化為Y型鏈,然后Y型鏈的兩個分鏈逐漸變小,最后變成一條直鏈。本文模擬的結果證明這個變化過程中碳鏈上的平均能量逐漸降低,與實驗結果相符合。(4)本文對雙層黑磷烯的平移堆垛結構進行了大量研究。有趣的是,我們不僅找到了最穩(wěn)定的AB堆垛,還發(fā)現(xiàn)了另一個特殊的亞穩(wěn)態(tài)Aδ堆垛,且這種堆垛具有不同于一般體黑磷的間接帶隙,它可以作為一種缺陷存在于體黑磷和少層黑磷烯中,對黑磷材料的研究具有重要參考價值。尤其是,這種Aδ堆垛結構的發(fā)現(xiàn)大大豐富了黑磷烯的電學性質。不同層數(shù)的不同堆垛結構可以形成橫向半導體異質結,包括Ⅰ型,Ⅱ型和Ⅲ型異質結。(5)對于雙層黑磷烯的旋轉堆垛結構,本文分別研究了旋轉角度0=15°,30°,45°,60°,75°,90°的情況,結果發(fā)現(xiàn)這些結構都為半導體結構,且θ=75°時體系最穩(wěn)定,但是仍然沒有AB堆垛和Aδ堆垛穩(wěn)定。這種旋轉堆垛結構和平移堆垛結構可與MoS2相結合形成適用于薄膜太陽能電池的Ⅱ型異質結。
【關鍵詞】：石墨烯納米帶 碳鏈 黑磷烯 第一性原理 電子特性
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O613.71;TB383.1
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 緒論10-18
• 1.1 引言10
• 1.2 石墨烯簡介10-12
• 1.2.1 石墨烯的基本研究概況10-11
• 1.2.2 石墨烯的基本性質11-12
• 1.3 石墨烯納米帶簡介12-15
• 1.3.1 石墨烯納米帶的基本研究概況12-13
• 1.3.2 石墨烯納米帶的基本性質13-14
• 1.3.3 其它特殊形狀石墨烯納米帶的研究概況14-15
• 1.4 二維黑磷烯的簡介15-16
• 1.4.1 黑磷烯的基本研究概況15
• 1.4.2 黑磷烯的基本性質15-16
• 1.5 課題的主要工作16-18
• 第二章 Z型石墨烯納米帶電子特性的研究18-32
• 2.1 基本模型與計算方法18-19
• 2.2 鋸齒型部分長度L1和L2對Z型石墨烯納米帶能帶的調控19-24
• 2.2.1 結構優(yōu)化與磁性基態(tài)的確定19-21
• 2.2.2 電子特性的研究21-24
• 2.3 扶手椅型部分長度W1和W2對Z型石墨烯納米帶性質的調控24-26
• 2.3.1 優(yōu)化結構及磁性基態(tài)24-25
• 2.3.2 體系電子特性的研究25-26
• 2.4 鋸齒型長度L1單邊加長對Z型石墨烯納米帶能隙的調控26-28
• 2.4.1 結構優(yōu)化與磁性基態(tài)的確定26-27
• 2.4.2 體系電子特性的研究27-28
• 2.5 半邊扶手椅型葉寬W2對Z型石墨烯納米帶能帶的調控28-29
• 2.5.1 體系基本結構及磁性基態(tài)28
• 2.5.2 體系電子特性的研究28-29
• 2.6 shift系列結構的Z型石墨烯納米帶29-30
• 2.7 本章小結30-32
• 第三章 帶環(huán)狀結構碳鏈電子特性的研究32-50
• 3.1 奇環(huán)碳鏈結構的研究32-40
• 3.1.1 模型的建立與計算方法32-33
• 3.1.2 結構的優(yōu)化33-36
• 3.1.3 體系磁性相關性質的研究36-37
• 3.1.4 體系態(tài)密度的分析37-39
• 3.1.5 體系局域電荷密度的分析39
• 3.1.6 應變對體系基本性質的影響39-40
• 3.2 偶環(huán)碳鏈結構的研究40-46
• 3.2.1 模型的建立與計算方法40
• 3.2.2 結構優(yōu)化40-42
• 3.2.3 體系磁性相關性質的分析42-43
• 3.2.4 體系態(tài)密度的分析43-44
• 3.2.5 體系局域電荷密度的分析44-45
• 3.2.6 應變對偶環(huán)碳鏈結構的影響45-46
• 3.3 帶鏈石墨烯納米帶變化過程的模擬46-49
• 3.4 本章小結49-50
• 第四章 少層黑磷烯不同堆垛結構電子特性的研究50-62
• 4.1 雙層黑磷烯平移堆垛型結構性質的研究50-57
• 4.1.1 模型與計算方法50-51
• 4.1.2 不同堆垛結構穩(wěn)定性的研究51-53
• 4.1.3 兩種堆垛結構電學性質的研究53-56
• 4.1.4 Aδ亞穩(wěn)態(tài)堆垛結構進一步的驗證56-57
• 4.2 雙層黑磷烯旋轉堆垛結構性質的研究57-60
• 4.2.1 計算方法與模型57-58
• 4.2.2 不同堆垛結構電子特性性的比較58-60
• 4.3 黑磷烯在薄膜太陽能電池方面的應用60-61
• 4.4 本章小結61-62
• 第五章 總結62-64
• 致謝64-66
• 作者簡介66-68
• 參考文獻68-72

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前2條

1 卓之問;武曉君;;二維單層材料的結構搜索[J];科學通報;2015年27期

2 安麗萍;劉春梅;劉念華;;Negative Differential Resistance in Atomic Carbon Chain-Graphene Junctions[J];Communications in Theoretical Physics;2012年06期

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本文編號：588104