本文關(guān)鍵詞：新型低維材料電磁和輸運性質(zhì)的數(shù)值模擬研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：近年來,實驗上發(fā)現(xiàn)了兩類新型的類石墨烯低維材料——磷烯(二維黑磷)和二硫化錸(ReS2)。由于它們具有極高的表面積體積比和不同于三維塊材材料的光電性能,這些材料在高性能場效應(yīng)管,鋰離子電池,自旋電子設(shè)備等諸多納米電子工業(yè)應(yīng)用方面都具有廣泛的應(yīng)用潛力。二維黑磷(磷烯)具有良好的室溫載流子遷移率(～1000cm2/Vs)和非常高的漏電流調(diào)制率(105),但是有關(guān)理論研究表明未飽和磷烯納米帶的載流子遷移率較低,因此如何調(diào)控磷烯納米帶的載流子輸運特性對于制備基于磷烯相關(guān)材料的場效應(yīng)管具有重要的理論意義。此外,人們發(fā)現(xiàn)ReS2是一個直接帶隙大小幾乎不受層數(shù)影響的半導(dǎo)體,但是其本身不具有有序磁性。而現(xiàn)代電子器件一個重要的指標(biāo)就是同時利用電子的電荷和自旋自由度,因此如何實現(xiàn)ReS2的有序磁性也是一個非常重要的基礎(chǔ)科學(xué)熱點。基于以上考慮,本文利用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法結(jié)合形變勢理論,研究了單層磷烯(phosphorene)納米帶在邊界飽和和拉伸應(yīng)變下的輸運性質(zhì),以及非金屬原子吸附、缺陷和應(yīng)變對單層ReS2的電磁性質(zhì)的調(diào)控。主要結(jié)論如下：(1)邊界飽和和拉伸應(yīng)變對磷烯納米帶的載流子輸運特性的調(diào)控研究。運用第一性原理計算方法和形變勢理論,我們研究了邊界飽和和拉伸應(yīng)變對磷烯納米帶輸運性質(zhì)的調(diào)控。計算表明飽和磷烯納米帶的載流子遷移率對不同的邊界飽和原子(H,F,和Cl原子)不敏感,但是會強烈依賴于納米帶的方向。在納米帶寬度相近的情況下,飽和扶手椅型納米帶的載流子遷移率要比鋸齒型納米帶大得多。而且飽和扶手椅型磷烯納米帶的電子遷移率會隨著納米帶寬度的增加而迅速提高。另外我們也發(fā)現(xiàn),由于費米面附近導(dǎo)帶序的變化,H原子飽和磷烯納米帶的電子輸運的各向異性會在一定的拉伸應(yīng)變下會發(fā)生反轉(zhuǎn)。該研究為基于磷烯納米帶的場效應(yīng)管應(yīng)用提供了一定的理論基礎(chǔ)。(2)非金屬單原子吸附對單層ReS2電磁性質(zhì)的調(diào)控。由于低維材料巨大的表面積-體積比,表面吸附通常是調(diào)控低維材料物性的重要手段。我們用第一性原理計算方法研究了非金屬原子(H,N,P,O,S,F和C1)被吸附對單層ReS2的晶體結(jié)構(gòu),電子結(jié)構(gòu)和磁性的影響。研究發(fā)現(xiàn)ReS2表面對這些非金屬原子表現(xiàn)出良好的吸附能力。大多數(shù)原子(除了N和P)優(yōu)先占據(jù)S-p位置。N和P修飾使得ReS2發(fā)生了嚴重的表面重構(gòu),而其他原子保持了ReS2的層狀結(jié)構(gòu)。非金屬原子的吸附非常豐富的調(diào)控了ReS2的電子結(jié)構(gòu)。N,P,F和Cl吸附體系都形成了1μB的總磁矩,但是N(P)對總磁矩的貢獻遠小于F(C1),這主要是因為N(P)修飾造成了ReS2的表面重構(gòu)。我們的計算表明非金屬原子的吸附可以有效地調(diào)制單層ReS2的電磁性質(zhì),這為低維材料在納米自旋電子器件方面的應(yīng)用提供了一種新思路。(3)應(yīng)變對含S缺陷的單層ReS2的電磁性質(zhì)的調(diào)控。我們系統(tǒng)探究了單硫(Vs)和雙硫(V2s)缺陷修飾的單層ReS2體系分別在不同拉伸應(yīng)變下的電磁性質(zhì)。當(dāng)應(yīng)變達到8%時,含有Vs缺陷的單層ReS2表現(xiàn)為磁性半金屬,磁矩主要來源于缺陷附近的Re原子,且Re原子之間為反鐵磁耦合。對于V2s缺陷,當(dāng)應(yīng)變從6%增大到7%時體系發(fā)生了從磁性半導(dǎo)體到磁性金屬的轉(zhuǎn)變,而且自旋極化的空間分布隨著應(yīng)變的增大而增大。我們的結(jié)果顯示拉伸應(yīng)變可以有效的調(diào)控缺陷修飾的單層ReS2的電磁性質(zhì),為ReS2在自旋電子設(shè)備方面的應(yīng)用提供了一種新思路。本文的研究豐富了對磷烯和ReS2兩種新型納米材料的認識,對于擴展它們在場效應(yīng)管、自旋電子設(shè)備等納米器件方面的應(yīng)用提供了一定的理論依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：密度泛函理論 形變勢理論 磷烯 二硫化錸 載流子遷移率 磁性
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TQ126.31;TQ137.14
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-38
• 1.1 單元素低維材料的基本性質(zhì)和研究現(xiàn)狀12-20
• 1.1.1 石墨烯12-16
• 1.1.2 硅烯和鍺烯16-18
• 1.1.3 磷烯18-20
• 1.2 過渡金屬二硫族化合物的基本性質(zhì)和研究現(xiàn)狀20-28
• 1.2.1 二硫化鉬20-27
• 1.2.2 二硫化錸27-28
• 1.3 本文研究內(nèi)容28-30
• 參考文獻30-38
• 第二章 工作中使用的理論以及研究方法38-45
• 2.1 Born-Oppenheimer近似38-39
• 2.2 Hartree-Fock近似39-40
• 2.3 密度泛函理論(DFT)40-44
• 2.3.1 Hohenberg-Kohn定理40-41
• 2.3.2 Kohn-Sham方程41-42
• 2.3.3 交換關(guān)聯(lián)勢42
• 2.3.4 贗勢方法42-44
• 參考文獻44-45
• 第三章 電子與聲子相互作用45-65
• 3.1 玻爾茲曼方程和弛豫時間近似45-48
• 3.2 電子與聲子相互作用48-64
• 3.2.1 晶格動力學(xué)48-50
• 3.2.2 電子與長波聲頻支聲子的相互作用50-57
• 3.2.3 電子與長波光頻支聲子的相互作用57-64
• 參考文獻64-65
• 第四章 邊界飽和和拉伸應(yīng)變對磷烯納米帶的輸運性質(zhì)調(diào)控研究65-80
• 4.1 研究背景65-66
• 4.2 計算方法和模型66-67
• 4.3 邊界飽和對磷烯納米帶輸運性質(zhì)的調(diào)控67-75
• 4.4 拉伸應(yīng)變對磷烯納米帶輸運性質(zhì)的調(diào)控75-76
• 4.5 本章小結(jié)76-77
• 參考文獻77-80
• 第五章 吸附,應(yīng)變,和缺陷對單層ReS_2電磁性質(zhì)的調(diào)控80-98
• 5.1 研究背景80-81
• 5.2 非金屬單原子吸附對單層ReS_2的調(diào)控81-89
• 5.2.1 計算方法和模型81-82
• 5.2.2 計算結(jié)果與討論82-89
• 5.2.3 小結(jié)89
• 5.3 應(yīng)變對含缺陷單層ReS_2的電磁性質(zhì)的調(diào)控89-95
• 5.3.1 計算方法和模型89-90
• 5.3.2 計算結(jié)果與討論90-94
• 5.3.3 小結(jié)94-95
• 參考文獻95-98
• 第六章 全文總結(jié)和展望98-100
• 博士期間發(fā)表和待發(fā)表的論文100-101
• 致謝101-102

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