本文關(guān)鍵詞：低維層狀材料結(jié)構(gòu)及性質(zhì)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(yùn)用相關(guān)軟件進(jìn)行模擬計(jì)算已成為科學(xué)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(jié)構(gòu)和基本性質(zhì)進(jìn)行了研究,主要包括Z型石墨烯納米帶的電學(xué)性質(zhì)和磁學(xué)性質(zhì),帶環(huán)形結(jié)構(gòu)碳鏈(Cm-GNR)的電學(xué)性質(zhì)和磁學(xué)性質(zhì),以及雙層黑磷烯的兩種不同堆垛結(jié)構(gòu),即平移堆垛和旋轉(zhuǎn)堆垛的電學(xué)性質(zhì)。本文的具體研究內(nèi)容和所取得的研究結(jié)果如下：(1)通過調(diào)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(diào)節(jié)體系的電學(xué)性質(zhì)和磁學(xué)性質(zhì)。特別是,本文發(fā)現(xiàn)對于A4A4Z5Z0這樣一個特殊結(jié)構(gòu),其磁性基態(tài)為非磁性的,且?guī)稙榱恪Ｒ栽摻Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),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(jié)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(cè)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(qiáng)的導(dǎo)電性,未來有望在納米電子器件中成為導(dǎo)電性較好的導(dǎo)線。(2)帶環(huán)狀結(jié)構(gòu)的碳鏈Cm-GNR既可以是半導(dǎo)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(guān)。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(dāng)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(dāng)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(dǎo)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(jìn)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(jié)果證明這個變化過程中碳鏈上的平均能量逐漸降低,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合。(4)本文對雙層黑磷烯的平移堆垛結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)大大豐富了黑磷烯的電學(xué)性質(zhì)。不同層數(shù)的不同堆垛結(jié)構(gòu)可以形成橫向半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié),包括Ⅰ型,Ⅱ型和Ⅲ型異質(zhì)結(jié)。(5)對于雙層黑磷烯的旋轉(zhuǎn)堆垛結(jié)構(gòu),本文分別研究了旋轉(zhuǎn)角度0=15°,30°,45°,60°,75°,90°的情況,結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些結(jié)構(gòu)都為半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),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(zhuǎn)堆垛結(jié)構(gòu)和平移堆垛結(jié)構(gòu)可與MoS2相結(jié)合形成適用于薄膜太陽能電池的Ⅱ型異質(zhì)結(jié)。
【關(guān)鍵詞】：石墨烯納米帶 碳鏈 黑磷烯 第一性原理 電子特性
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(jì)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(diào)控19-24
• 2.2.1 結(jié)構(gòu)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(zhì)的調(diào)控24-26
• 2.3.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)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(diào)控26-28
• 2.4.1 結(jié)構(gòu)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(diào)控28-29
• 2.5.1 體系基本結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的Z型石墨烯納米帶29-30
• 2.7 本章小結(jié)30-32
• 第三章 帶環(huán)狀結(jié)構(gòu)碳鏈電子特性的研究32-50
• 3.1 奇環(huán)碳鏈結(jié)構(gòu)的研究32-40
• 3.1.1 模型的建立與計(jì)算方法32-33
• 3.1.2 結(jié)構(gòu)的優(yōu)化33-36
• 3.1.3 體系磁性相關(guān)性質(zhì)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(yīng)變對體系基本性質(zhì)的影響39-40
• 3.2 偶環(huán)碳鏈結(jié)構(gòu)的研究40-46
• 3.2.1 模型的建立與計(jì)算方法40
• 3.2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化40-42
• 3.2.3 體系磁性相關(guān)性質(zhì)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(yīng)變對偶環(huán)碳鏈結(jié)構(gòu)的影響45-46
• 3.3 帶鏈?zhǔn)┘{米帶變化過程的模擬46-49
• 3.4 本章小結(jié)49-50
• 第四章 少層黑磷烯不同堆垛結(jié)構(gòu)電子特性的研究50-62
• 4.1 雙層黑磷烯平移堆垛型結(jié)構(gòu)性質(zhì)的研究50-57
• 4.1.1 模型與計(jì)算方法50-51
• 4.1.2 不同堆垛結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究51-53
• 4.1.3 兩種堆垛結(jié)構(gòu)電學(xué)性質(zhì)的研究53-56
• 4.1.4 Aδ亞穩(wěn)態(tài)堆垛結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的驗(yàn)證56-57
• 4.2 雙層黑磷烯旋轉(zhuǎn)堆垛結(jié)構(gòu)性質(zhì)的研究57-60
• 4.2.1 計(jì)算方法與模型57-58
• 4.2.2 不同堆垛結(jié)構(gòu)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(yīng)用60-61
• 4.4 本章小結(jié)61-62
• 第五章 總結(jié)62-64
• 致謝64-66
• 作者簡介66-68
• 參考文獻(xiàn)68-72

【參考文獻(xiàn)】

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(jié)構(gòu)搜索[J];科學(xué)通報(bào);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