本文選題：第一性原理計(jì)算 + 電子陰離子化合物��； 參考：《中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：隨著密度泛函理論和計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展,第一性原理計(jì)算的模擬準(zhǔn)確度和應(yīng)用范圍大大提高,目前已成為物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域不可或缺的研究手段。一方面,和實(shí)驗(yàn)上傳統(tǒng)的"試錯(cuò)法"材料設(shè)計(jì)相比,基于第一性原理的材料設(shè)計(jì)方法可極大地降低新材料的設(shè)計(jì)成本,縮短其開(kāi)發(fā)周期。另一方面,第一性原理計(jì)算不僅能給出材料本身的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)特征,還能考察體系間的相互作用,為材料的性能及制備方法提供機(jī)理解釋和理論指導(dǎo)�；诿芏确汉碚摰牡谝恍栽碛�(jì)算,本論文研究了一些低維材料的幾何構(gòu)型和電子結(jié)構(gòu)特征。主要包括以下幾部分內(nèi)容:第一章為第一性原理計(jì)算的理論基礎(chǔ)簡(jiǎn)介。我們先簡(jiǎn)述基于波函數(shù)的量子化學(xué)方法,然后引入基于電荷密度的密度泛函理論,其中著重介紹密度泛函理論中交換關(guān)聯(lián)泛函的發(fā)展脈絡(luò)和方向,以及在弱相互作用體系中密度泛函的處理方法。此外,我們介紹一下常用的第一性原理軟件包、基本的模擬原則及數(shù)據(jù)后處理的軟件。本章最后,我們簡(jiǎn)單介紹一下與本論文中相關(guān)的掃描隧道顯微鏡(STM)圖像模擬方法。第二章中我們介紹具有本征懸浮二維電子氣體系的理論設(shè)計(jì)。研究的對(duì)象為一種新奇的材料,電子陰離子化合物,其內(nèi)部具有周期性、化學(xué)計(jì)量比的非局域電子直接充當(dāng)陰離子。這些陰離子電子分布在遠(yuǎn)離原子核的自由空間,受原子核的散射較弱。受新型二維電子陰離子化合物Ca2N的啟發(fā),我們先證明可通過(guò)體相剝離的方法制備出穩(wěn)定的Ca2N單層材料,后證實(shí)其表面的陰離子電子會(huì)彌散在遠(yuǎn)離陽(yáng)離子骨架的自由空間,形成懸浮的二維電子氣。這些懸浮二維電子氣的確能提供弱核散射的電子傳輸通道。但懸浮二維電子氣十分的化學(xué)活潑,我們提議使用石墨烷對(duì)其范德華封裝,理論設(shè)計(jì)出了大氣環(huán)境下穩(wěn)定的懸浮二維電子氣體系。第三章研究了零維金屬納米顆粒的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)。我們發(fā)現(xiàn)Au75Pd25合金二十面體納米顆粒中的孿晶結(jié)構(gòu)誘導(dǎo)了表面晶格的膨脹,抬升了表面的d帶中心。同時(shí),合金中電荷由鈀原子向金原子轉(zhuǎn)移,使得表面金原子上的負(fù)電荷濃度升高。二者協(xié)同提升了實(shí)驗(yàn)上Au75Pd25二十面體納米顆粒催化環(huán)己烷氧化的反應(yīng)活性。第四章研究的是銅硫化合物材料界面處的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)。我們發(fā)現(xiàn)CU1.94S和CuS均具有合適的帶隙,可作為光電響應(yīng)的材料。在Cu1.94S(100)-cuS(100)異質(zhì)結(jié)中,界面處的能帶排布使得光生電子流向Cu1.94S端,而光生空穴則在CuS端聚集。同時(shí),異質(zhì)結(jié)的啞鈴狀構(gòu)型能增強(qiáng)CuS高導(dǎo)電面與電極的接觸。異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)和幾何構(gòu)型共同促進(jìn)了界面處電子空穴對(duì)的分離與傳輸,使其光電轉(zhuǎn)化性能明顯優(yōu)于單獨(dú)的Cu1.94S或CuS。第五章我們著重討論磷與襯底間的相互作用。由于在電子器件和光電轉(zhuǎn)化方面具有重大應(yīng)用前景,二維磷結(jié)構(gòu)是目前材料領(lǐng)域的熱點(diǎn),而研究的重點(diǎn)是選擇合適的襯底進(jìn)行少數(shù)層二維磷的生長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)合作組首先在Au(111)表面合成出了蜂窩狀的二維磷結(jié)構(gòu),我們計(jì)算表明實(shí)驗(yàn)上制備的二維磷是藍(lán)磷的重構(gòu)體。當(dāng)實(shí)驗(yàn)上使用比金活潑的銅作為襯底時(shí),在其表面只能觀察到有序磷條紋的生成。計(jì)算表明Cu(110)和磷的作用很強(qiáng),其表面生長(zhǎng)的磷條紋是離散磷原子的吸附結(jié)構(gòu)。最后,實(shí)驗(yàn)上利用碲原子修飾的Au(111)作為襯底進(jìn)行藍(lán)磷的外延生長(zhǎng)。我們模擬發(fā)現(xiàn),相比Au(111),藍(lán)磷在碲修飾的Au(111)表面的吸附更弱,電荷轉(zhuǎn)移更小,的確有利于制備準(zhǔn)自由的二維藍(lán)磷。綜合來(lái)看,二維磷自身結(jié)構(gòu)不像石墨烯那么強(qiáng)健,其外延生長(zhǎng)需要那些活性較弱的基底,如金或其他適合的半導(dǎo)體。
[Abstract]:With the development of density functional theory and computer science, the simulation accuracy and application range of the first principle calculation have been greatly improved. At present, it has become an indispensable research means in the field of material science. On the one hand, compared with the traditional "trial and error" material design, the material design method based on the first principle can be greatly reduced. The design cost of low new material reduces its development cycle. On the other hand, the first principle calculation can not only give the structure and properties of the material itself, but also examine the interaction between the systems, provide the mechanism interpretation and theoretical guidance for the properties and preparation methods of the materials. The geometric configuration and electronic structure characteristics of some low dimensional materials are studied. The main contents are as follows: the first chapter is a brief introduction to the theoretical basis of the first principle calculation. First, we briefly describe the quantum chemical method based on the wave function, and then introduce the density functional theory based on the charge density, which focuses on the introduction of the density functional theory. In addition, we introduce the commonly used first principles software packages, basic simulation principles and data processing software. In this chapter, we give a brief introduction to the scanning tunneling microscope (STM) map related to this paper. In the second chapter, we introduce the theoretical design of an eigen suspended two-dimensional electron gas system. The object of this study is a novel material, an electron anionic compound, which has a periodic interior and a stoichiometric non local electron directly acting as an anion. These anion electrons are distributed in the free space far away from the nucleus. The scattering of the nucleus is weak. Inspired by the new two-dimensional electron anion compound Ca2N, we first prove that the stable Ca2N monolayer can be prepared by the method of body phase stripping, and then it is proved that the anionic electrons of the surface will disperse in the free space far away from the cation framework and form the suspended two-dimensional electron gas. Electron gas can indeed provide an electron transport channel with weak nuclear scattering. However, the suspension two-dimensional electron gas is very chemical active. We propose to use graphane for its van Edward package and theoretically design a stable suspended two-dimensional electronic gas system in the atmosphere. In the third chapter, the electronic structure properties of the null gold nanoparticles are studied. We find that the electronic structure properties of the null gold nanoparticles are studied. The twin structure in the Au75Pd25 alloy twenty surface nano particles induces the expansion of the surface lattice and the d band center of the surface. At the same time, the charge in the alloy is transferred from the palladium atom to the gold atom, which increases the negative charge concentration on the surface of the gold atoms. The two groups enhance the experimental Au75Pd25 twenty surface nanoparticles to catalyze the cyclohexane oxygen. The fourth chapter studies the electronic structural properties at the interface of copper and sulfur compounds. We found that both CU1.94S and CuS have appropriate band gaps and can be used as photoelectrical responses. In the Cu1.94S (100) -cuS (100) heterojunction, the band arrangement at the interface makes the photoelectrons flow to the Cu1.94S end, while the bare holes are at the CuS end. At the same time, the dumbbell shaped configuration of the heterojunction can enhance the contact between the CuS high conductivity surface and the electrode. The electronic structure and geometry of the heterojunction jointly promote the separation and transmission of the electron hole pair at the interface. The photoelectric conversion performance is obviously superior to the separate Cu1.94S or CuS. fifth chapters, and the interaction between the phosphorus and the substrate is emphatically discussed. The two dimensional phosphorus structure is a hot spot in the field of materials in the field of electronic and photoelectric conversion. The focus of the study is to select the suitable substrate for the growth of a few layers of phosphorus. The experimental cooperation group first synthesized the honeycomb like two-dimensional phosphorus structure on the surface of Au (111). Two dimensional phosphorus is a reconfiguration of blue phosphorus. When the active copper is used as a substrate in the experiment, the formation of ordered phosphorous stripe can only be observed on its surface. The calculation shows that Cu (110) and phosphorus are strong and the phosphorous stripe of its surface is the adsorption structure of the discrete phosphorus atom. Finally, the Au (111) modified by tellurium atom is used as the substrate. We found that the adsorption of blue phosphorus on the Au (111) surface modified by tellurium is weaker than that of Au (111), and the charge transfer is smaller. It is indeed beneficial for the preparation of quasi free two-dimensional blue phosphorus. A suitable semiconductor.

【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TB30

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本文編號(hào)：1820080