本文關(guān)鍵詞：ⅢA族氮化物類石墨烯低維結(jié)構(gòu)磁性的第一性原理研究

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【摘要】：近年來,隨著石墨烯熱的持續(xù),作為類石墨烯材料,ⅢA族氮化物低維納米結(jié)構(gòu)也引起了物理與材料領(lǐng)域的重點(diǎn)關(guān)注。在結(jié)構(gòu)上它們與石墨烯非常相似,都是由六邊形組成的二維周期性蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。但在電子結(jié)構(gòu)上卻與石墨烯截然不同,例如石墨烯是帶隙為零的金屬,而BN低維結(jié)構(gòu)則是寬帶隙半導(dǎo)體。對ⅢA族氮化物低維納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行摻雜是對其電磁性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控的簡單而有效的手段,特別是用金屬原子進(jìn)行摻雜不僅能減小其帶隙,更能引入磁性。本論文基于密度泛函理論的第一性原理計算,研究了金屬摻雜或吸附的BN、Ga N、Al N以及In N等二維單層和納米帶結(jié)構(gòu)的電子結(jié)構(gòu)及磁性,并以半金屬性為全文研究重點(diǎn)。全文主要內(nèi)容如下:(1)研究了貴金屬Ag摻雜ⅢA族氮化物(Al N、Ga N和In N)單層二維結(jié)構(gòu)的電子結(jié)構(gòu)和磁性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)Ag低濃度摻雜ⅢA族氮化物單層是自旋極化的并獲得了2.0個玻爾磁子。Ag摻雜Al N和Ga N單層基態(tài)存在鐵磁性和反鐵磁性兩種可能,而Ag摻雜In N基態(tài)展示了良好的鐵磁性,并展現(xiàn)了半金屬行為。通過控制摻雜的濃度,我們可以調(diào)整半金屬帶隙的大小:隨著摻雜濃度的增加,Ag摻雜導(dǎo)致的半金屬帶隙會減少。以上結(jié)果表明Ag摻雜ⅢA族氮化物展現(xiàn)了豐富各異的電磁特性,通過合適的摻雜濃度和位置,可以實(shí)現(xiàn)室溫鐵磁性,這為今后微電子和自旋開關(guān)器件的設(shè)計和應(yīng)用提供了一種可行方案。(2)研究了鋸齒形氮化鎵納米帶(ZGa NNRs)的兩個邊界進(jìn)行不同氫化處理時相應(yīng)結(jié)構(gòu)的電磁性質(zhì)。計算結(jié)果表明,當(dāng)納米帶的N邊界被鈍化后,不管Ga邊界是否被鈍化,這兩種結(jié)構(gòu)都是寬帶隙的半導(dǎo)體。而當(dāng)N邊界未被鈍化時,這兩種結(jié)構(gòu)都是鐵磁性的半金屬。其半金屬性主要來源于N的2p軌道與Ga的4p軌道的強(qiáng)相互作用。此外,隨著納米帶寬度的遞增,Ga邊界氫化而N邊界未氫化的Ga N納米帶的半金屬帶隙在一個很大的范圍內(nèi)單調(diào)遞減。ZGa NNRs半金屬帶隙的可調(diào)性在電子、自旋電子裝置以及對半金屬帶隙值有特定要求的器件方面具有重大的應(yīng)用前景。(3)研究了鐵鏈單側(cè)邊界鈍化型的鋸齒形氮化硼納米帶(Fe-terminated ZBNNRs)和鐵鏈連接型的鋸齒形氮化硼納米帶(Fe-jointed ZBNNRs)的電子結(jié)構(gòu)及磁性。對于不同的納米帶寬,Fe-terminated ZBNNRs始終是半導(dǎo)體,而對于不同帶寬的氮化硼納米帶,Fe-jointed ZBNNRs則始終是半金屬。這兩種結(jié)構(gòu)的磁性都主要來源于外來的鐵原子。Fe-jointed ZBNNRs的半金屬性源于Fe原子的3d軌道與N原子的2p軌道間的強(qiáng)耦合作用。通過分子動力學(xué)模擬,我們進(jìn)一步證明了該鐵鏈連接型結(jié)構(gòu)在常溫下是可以穩(wěn)定存在的。Fe-jointed-ZBNNRs體系對于兩種不同自旋方向電子的選擇過濾作用在自旋電子學(xué)器件上具有廣泛的應(yīng)用潛力。另外,我們進(jìn)一步研究了其它各種不同的過渡金屬所形成的連接型的鋸齒形氮化硼納米帶(簡稱為M-jointed ZBNNRs),發(fā)現(xiàn)了豐富各異的電磁特性。計算結(jié)果表明它們既可以是金屬型的、半金屬型的,也可以是半導(dǎo)體型的,并且基態(tài)各異。(4)研究了鐵原子嵌入的含5-8-5線缺陷鋸齒形氮化硼納米帶的電子結(jié)構(gòu)和磁性。計算結(jié)果表明,對于含不同二聚物(B2,N2,C2)的線性缺陷構(gòu)型,鐵原子都將嵌入到八元環(huán)的中心,然后沿著線缺陷形成一條原子鏈。這些系統(tǒng)的基態(tài)是鐵磁態(tài),但其電子結(jié)構(gòu)明顯不同。含B2或N2二聚物的系統(tǒng)是帶隙極小的半導(dǎo)體,而含C2二聚物的系統(tǒng)則是半金屬。對于半金屬結(jié)構(gòu),Fe的3d軌道與C的2p軌道間的強(qiáng)相互作用將未嵌入鐵鏈的含線缺陷的BN納米帶從半導(dǎo)體變成了半金屬。此外,其它過渡金屬替代Fe原子嵌入含5-8-5線缺陷鋸齒形氮化硼納米帶系統(tǒng)中也發(fā)現(xiàn)了半金屬鐵磁性。以上系統(tǒng)的電磁性質(zhì)與嵌入的金屬以及線缺陷類型息息相關(guān)。以上結(jié)果不僅提供了一種能有效調(diào)控氮化硼納米帶帶隙大小的方法,并且所得到的半金屬室溫鐵磁性在自旋電子器件上有著極大的應(yīng)用潛力。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O469

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本文編號：1280345