本文關鍵詞：新型低維材料電磁和輸運性質的數(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管,鋰離子電池,自旋電子設備等諸多納米電子工業(yè)應用方面都具有廣泛的應用潛力。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制率(105),但是有關理論研究表明未飽和磷烯納米帶的載流子遷移率較低,因此如何調控磷烯納米帶的載流子輸運特性對于制備基于磷烯相關材料的場效應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科學熱點。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變下的輸運性質,以及非金屬原子吸附、缺陷和應變對單層ReS2的電磁性質的調控。主要結論如下：(1)邊界飽和和拉伸應變對磷烯納米帶的載流子輸運特性的調控研究。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變對磷烯納米帶輸運性質的調控。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變下會發(fā)生反轉。該研究為基于磷烯納米帶的場效應管應用提供了一定的理論基礎。(2)非金屬單原子吸附對單層ReS2電磁性質的調控。由于低維材料巨大的表面積-體積比,表面吸附通常是調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的晶體結構,電子結構和磁性的影響。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,而其他原子保持了ReS2的層狀結構。非金屬原子的吸附非常豐富的調控了ReS2的電子結構。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。我們的計算表明非金屬原子的吸附可以有效地調制單層ReS2的電磁性質,這為低維材料在納米自旋電子器件方面的應用提供了一種新思路。(3)應變對含S缺陷的單層ReS2的電磁性質的調控。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變下的電磁性質。當應變達到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,當應變從6%增大到7%時體系發(fā)生了從磁性半導體到磁性金屬的轉變,而且自旋極化的空間分布隨著應變的增大而增大。我們的結果顯示拉伸應變可以有效的調控缺陷修飾的單層ReS2的電磁性質,為ReS2在自旋電子設備方面的應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管、自旋電子設備等納米器件方面的應用提供了一定的理論依據(jù)。
【關鍵詞】：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
【學位授予單位】：南京大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：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 邊界飽和和拉伸應變對磷烯納米帶的輸運性質調控研究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的調控67-75
• 4.4 拉伸應變對磷烯納米帶輸運性質的調控75-76
• 4.5 本章小結76-77
• 參考文獻77-80
• 第五章 吸附,應變,和缺陷對單層ReS_2電磁性質的調控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的調控81-89
• 5.2.1 計算方法和模型81-82
• 5.2.2 計算結果與討論82-89
• 5.2.3 小結89
• 5.3 應變對含缺陷單層ReS_2的電磁性質的調控89-95
• 5.3.1 計算方法和模型89-90
• 5.3.2 計算結果與討論90-94
• 5.3.3 小結94-95
• 參考文獻95-98
• 第六章 全文總結和展望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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