本文選題：二維材料　切入點(diǎn)：VI族元素　出處：《鄭州大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：自2004年單層二維材料-石墨烯成功制備以來,二維材料的研究呈現(xiàn)爆炸式的增長(zhǎng)趨勢(shì)。二維材料展現(xiàn)出不同于體相的各種新奇性質(zhì),在未來的光電器件、自旋電子學(xué)、量子能源、催化等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。尋找新的二維材料,探索其特殊的物理、化學(xué)性質(zhì),并對(duì)其進(jìn)行調(diào)控,成為近年來低維材料領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。本文采用基于密度泛函理論的第一性原理方法,預(yù)言了一系列新型二維單層材料,探索了對(duì)黑磷烯及錫烯的電子結(jié)構(gòu)和磁性進(jìn)行調(diào)制的有效途徑。本文的研究?jī)?nèi)容分為四部分,簡(jiǎn)要概括如下:(1)采用粒子群優(yōu)化算法的結(jié)構(gòu)搜索(CALYPSO)結(jié)合基于密度泛函的第一性原理計(jì)算,研究了基于VI族元素的二維材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。預(yù)言了一類由類金屬元素Te構(gòu)成的新型VI族二維材料-碲烯。它具有類1T-MoS2結(jié)構(gòu)(α-Te)、正交結(jié)構(gòu)(β-Te)、類2H-MoS2結(jié)構(gòu)(γ-Te)三種不同的同素異構(gòu)體。這類包含三個(gè)原子層的新型二維材料的形成機(jī)制源于類金屬Te元素自身的多價(jià)特性。中間層的Te原子類似金屬M(fèi)o,外層的Te原子類似非金屬S的角色。更重要的是,最穩(wěn)定的α-Te源于體相Te-I薄膜在納米尺度下的結(jié)構(gòu)相變,從[001]方向截取的體相Te-I薄膜在特定的幻數(shù)厚度條件下能夠自發(fā)轉(zhuǎn)變成單層或多層的α-Te。α-Te和β-Te均為半導(dǎo)體,并且具有優(yōu)異的光電特性,特別是比MoS2高的多的載流子遷移率。有可能成為明星二維材料MoS2的有力競(jìng)爭(zhēng)者甚至替代者。本文的研究把二維材料的研究擴(kuò)展至VI族領(lǐng)域,并為二維材料的設(shè)計(jì)提供了新的形成機(jī)制(2)采用采用基于密度泛函的第一性原理方法,探索了III-V族二元單層化合物BP的新型同素異構(gòu)體的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)。預(yù)言了4種穩(wěn)定的B、P化合物的二維結(jié)構(gòu)。除了六角結(jié)構(gòu)的h-BP,還可以形成sp2雜化、由六元環(huán)構(gòu)成的平面結(jié)構(gòu);以及P的sp3和B的sp2雜化形成的4-8環(huán)和3-9環(huán)的褶皺狀結(jié)構(gòu)。Bader電荷的計(jì)算表明,不同二維BP同素異構(gòu)體具有明顯的離子性特征,伴隨著從B到P原子的電荷轉(zhuǎn)移。離子靜電勢(shì)和P原子sp2或sp3雜化能的競(jìng)爭(zhēng)平衡導(dǎo)致了二維BP結(jié)構(gòu)的多樣性。這些以前未被認(rèn)識(shí)的新的二維BP材料,表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)依賴的金屬或半導(dǎo)體性質(zhì)。我們的研究結(jié)果不僅豐富了人們對(duì)BP二維材料家族的認(rèn)識(shí),同時(shí)對(duì)其它III-V族二維材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)研究提供了一個(gè)新思路。(3)采用基于密度泛函的第一性原理方法,研究了不同寬度的鋸齒型黑磷納米帶的電子結(jié)構(gòu)和磁性。通過自旋極化的總能計(jì)算,預(yù)言了ZPNRs的邊界磁性。體系具有單邊鐵磁雙邊反鐵磁的基態(tài)。ZPNRs的磁性源于P原子未飽和的懸掛鍵以及邊界局域的p軌道的電子態(tài)。研究發(fā)現(xiàn),邊界的懸掛鍵對(duì)ZPNRs的磁性具有決定性作用。由于懸掛鍵的飽和,H鈍化的黑磷納米帶轉(zhuǎn)變成非磁性的基態(tài),體系變現(xiàn)為直接帶隙的半導(dǎo)體。O修飾邊界的黑磷納米帶仍然具有磁性。由于O原子和邊界P原子的Pz軌道在納米帶的平面內(nèi)具有少部分的重疊,形成比較弱的s鍵。所以,O和P原子之間未飽和的共價(jià)鍵,導(dǎo)致O修飾邊界的黑磷納米帶體系具有和本征納米帶體系類似的磁性基態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)黑磷納米帶的電子結(jié)構(gòu)和磁性顯著的依賴于納米帶的邊界結(jié)構(gòu)。本征納米帶的(1,1)、(1,2)和(3,1)邊界能夠發(fā)生自發(fā)的自旋極化,具有不同耦合方式的反鐵磁基態(tài),而(1,0)、(2,1)和(1,3)邊界的黑磷納米帶不具有磁性。(4)采用基于密度泛函的第一性原理方法,研究了單層黑磷中的晶界缺陷。預(yù)言了兩種典型的晶界缺陷:沿Armchair方向,由交替排列的5環(huán)和7環(huán)構(gòu)成的角度為q=24.15°的晶界;沿Zigzag方向由4環(huán)和8環(huán)交替排列構(gòu)成的角度為q=26.73°的晶界。進(jìn)一步研究了C、O原子摻雜對(duì)包含晶界缺陷的單層黑磷的電子結(jié)構(gòu)和磁性的調(diào)制作用。結(jié)果發(fā)現(xiàn),黑磷中這兩種晶界具有比較高的反應(yīng)活性,摻雜原子更容易替代晶界區(qū)的磷原子。有趣的是,O在黑磷晶界區(qū)的摻雜為放熱反應(yīng),具有負(fù)的形成能。自旋極化的計(jì)算結(jié)果表明,C、O摻雜均能導(dǎo)致體系自旋極化的磁性產(chǎn)生。摻雜C原子自身貢獻(xiàn)了大部分磁性。但是,對(duì)O原子摻雜的單層黑磷,O原子自身不發(fā)生自旋極化,磁性主要由鄰近的P原子產(chǎn)生。并且,C和O的單原子摻雜,也會(huì)對(duì)包含晶界的單層黑磷的電子性質(zhì)和能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效的調(diào)制。此外,預(yù)言了錫烯中可能存在的四種缺陷鏈結(jié)構(gòu)。錫烯中除了和石墨烯類似的5-8-5缺陷鏈,還存在三種不同類型的5-7環(huán)結(jié)構(gòu)。不同缺陷結(jié)構(gòu)對(duì)錫烯的電子性質(zhì)的調(diào)制具有顯著差異。通過氫鈍化及吸附濃度的改變,可以實(shí)現(xiàn)錫烯從半導(dǎo)體到金屬的轉(zhuǎn)變。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O469

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本文編號(hào)：1663507