【摘要】：硅烯是一種擁有扣蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新型類石墨烯二維材料,與石墨烯完美的平面結(jié)構(gòu)不同的是硅烯的單原子層是由翹曲高度為0.44 A的兩層等價硅原子構(gòu)成。硅烯和石墨烯一樣,擁有優(yōu)良的電子性能,而且能與當今以硅為基底的半導體技術(shù)相兼容。目前,在超高真空條件下已經(jīng)成功的在基底Ag(111)、ZrB2(0001)、MoS2(0001)和Ir(111)表面上合成了單層硅烯。硅烯與石墨烯一樣是具有零帶隙的半導體,考慮電子自旋軌道耦合效應的帶隙也僅為1.55 meV。為了充分利用硅烯優(yōu)良的電子性能,如何打開其帶隙的問題得到了廣泛的關(guān)注。本論文采用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法,系統(tǒng)地研究了單邊鹵化硅烯Si2X1(X=F、C1、Br、I)的結(jié)構(gòu)、電子和磁性質(zhì),并探討了應變對單邊鹵化硅烯電子性質(zhì)的調(diào)控機理,得到的主要結(jié)論有:1.通過分析單邊鹵化硅烯Si2X1(X=F、C1、Br、I)的計算結(jié)果,發(fā)現(xiàn)鹵素原子與硅烯以成sp3鍵角的方式相結(jié)合。鹵素原子從相鄰的Si原子處得到電子,并與該原子形成σ共價鍵。鹵素原子的單邊吸附使得硅烯的蜂窩狀結(jié)構(gòu)中翹曲高度更高。形成能的計算表明,單邊鹵化硅烯具有比純硅烯更好的熱力學穩(wěn)定性。其中,單邊氟化硅烯Si2F1的形成能最低,表明其更有利于形成新型的儲氟材料。單邊鹵化硅烯Si2X1(X=C1、Br、I)表現(xiàn)為半金屬性質(zhì),每個原胞擁有接近1μB的總磁矩,它們在硅基納米自旋電子學領(lǐng)域具有重要的應用前景。2.對單邊鹵化硅烯Si2X1(X=F、C1、Br、I)施加對稱的彈性拉伸應變,發(fā)現(xiàn)當應變增加到12.9%時,單邊氟化硅烯Si2F1由金屬性轉(zhuǎn)變?yōu)榘虢饘傩�。而對于其它單邊鹵化硅烯Si2X1(X=C1、Br、I),隨著對稱應變的增加,出現(xiàn)半金屬-半導體-半金屬-金屬性質(zhì)的轉(zhuǎn)變。自旋分裂能帶的導帶底(CBM)和價帶頂(VBM)的電荷密度說明了能帶結(jié)構(gòu)在對稱應變下的轉(zhuǎn)變。單邊氟化硅烯Si2F1的總磁矩隨著拉伸應變的增加從最初的0μB單調(diào)增加到1μB。這一結(jié)果表明了單邊氟化硅烯受應變調(diào)制的電子和磁效應。施加非對稱應變時,單邊溴化硅烯Si2Br1的能帶結(jié)構(gòu)具有與對稱應變類似的能帶轉(zhuǎn)變特征,但在平行于鋸齒型或扶手椅型兩個方向由應變誘導的能帶變化的速度和幅度具有差異。泊松比在兩個方向上的不同反映了這種帶隙變化的各向異性。
【圖文】：

兼容的遺憾。目前，在超高真空條件下已經(jīng)成功的在基底Ａｇ（ｍ）［７＿１３］，逡逑ＺｒＢ２（０００１）［１４］，Ｍ0Ｓ２（０００１）［１５＿邋Ｉｒ（ｌｌｌ）［ｌ６］表面上合成了單層硅烯。逡逑如圖１．１（ａ）和（ｂ）所示，與石墨烯完美的平面結(jié)構(gòu)不同的是硅烯的單原子層是逡逑由翹曲高度為０．４４邋Ａ的兩層等價硅原子組成。并且在２０１５年，實驗研究員在室逡逑溫下成功地制備了以硅烯為導電通道的硅烯場效應晶體管，并在室溫下測試了其逡逑導電性能，提出傳統(tǒng)場效應晶體管（ＦＥＴ）需要具有相當大帶隙的半導體材料以逡逑獲得優(yōu)異的開關(guān)能力和高開／關(guān)比［１７］。但是硅烯遇到與石墨烯相同的問題：零帶逡逑隙。這不符合傳統(tǒng)的場效應晶體管對擁有可觀帶隙的半導體溝道材料的需求。幸逡逑運的是，與石墨烯相比，硅烯由于其扣狀晶格結(jié)構(gòu)而具有更好的帶隙可調(diào)控性［１８］。逡逑這也激勵了很多研究者們致力于探索打開硅烯帶隙的方法。硅烯的表面敏感性起逡逑源于其ｓｐ２－ｓｐ３混合特性［｜ｑ］。因此，從材料合成到器件制造的整個過程都需要對逡逑硅烯進行有效地鈍化或封裝［１７］。逡逑（ｂ）ｔｅ邋ｉ邐ｉ邐ｉ逡逑圖１．１單層硅烯的俯視結(jié)構(gòu)圖（ａ）和側(cè)視結(jié)構(gòu)圖（ｂ），（ｃ）為硅烯的能帶圖１２４１逡逑與石墨烯相比，硅烯更柔軟，其面內(nèi)剛度僅為２０％，幾乎是泊松比的兩倍［

向承受２４％的極限拉伸應變，，而且硅烯的氫化或脫氫對極限拉伸強度的影響是很逡逑小的［２１］。Ｚｈａｏ和Ｍｏｈａｎ的研究都說明了通過施加不同的應變能夠誘導硅烯打開逡逑帶隙［２２＿２３］。如圖１．１（ｃ）所示，利用密度泛函（ＤＦＴ）理論對硅烯的電子能帶結(jié)構(gòu)逡逑進行計算（不包１括自旋軌道耦合）［２４］，發(fā)現(xiàn)硅烯表現(xiàn)為零帶隙的半導體特征，其逡逑導帶底（ＣＢＭ）和價帶頂（ＶＢＭ）在第一個布里淵區(qū)Ｋ點相接觸，構(gòu)成一個零逡逑能量間隙的狄拉克錐；而自旋軌道相互作用在硅烯［２５］的狄拉克點處打開了一個約逡逑為１．５５邋ｍｅＶ的基本能隙。逡逑１．２單層硅烯的制備逡逑１．２．１娃稀在Ａｇ（ｌｌｌ）襯底表面的合成逡逑盡管硅烯的理論預測在２００４年的時候就被提出，但是實驗上的合成在２０１２逡逑年才發(fā)生突破。由于硅在氧化時的靈敏性，所以單層硅稀的制備必須在超高真空逡逑（ＵＨＶ）環(huán)境中進行。用分子束外延（ＭＢＥ）的方法在Ａｇ（ｌｌｌ）上控制生長硅層，逡逑純凈的Ａｇ（ｌｌｌ）襯底通過重復的氬離子濺射和退火工藝來實現(xiàn)，然后熱蒸發(fā)純Ｓｉ逡逑源的將硅沉積在襯底上。當時，Ｌｅ邋Ｌａｙ組［７］、Ｗｕ組［８－９］、Ｔａｋａｇｉ和Ｋａｗａｉ組網(wǎng)逡逑等組幾乎同時報道了在Ａｇ（ｌｌｌ）基底上成功地修復了單層的硅烯。與通常顯示蜂逡逑窩狀、非重構(gòu)表面的石墨烯相比
【學位授予單位】：湘潭大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O562.2

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本文編號：2632894