本文關鍵詞：二維金剛石和氮化硼納米膜結構及物性的理論研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：二維納米膜材料是近幾年來在材料領域里新穎的研究方向，具有重要的科學研究價值。自2009年石墨烯材料發(fā)現之后，觸發(fā)人們開始尋找其它具有特殊性質和應用的二維材料。特別是二維金剛石(Diamond)和氮化硼(BN)納米膜，其結構和性質對其取向、層數和表面功能化等具有強烈的依賴性，并且出現強表面效應和量子尺寸效應。本論文基于密度泛函理論的第一性原理計算，深入、系統(tǒng)地研究取向、層數、表面修飾等因素對二維金剛石和氮化硼納米膜的結構穩(wěn)定性和演化的影響，并通過分析能帶結構、電子態(tài)密度和自旋磁矩等，獲得與結構相關的電學及磁學性質變化規(guī)律，得到了如下創(chuàng)新性結果： (1)從體相金剛石垂直于111晶向截取出一層及多層具有原子級厚度的二維(111)金剛石納米膜為初始結構，利用第一性原理CASTEP軟件進行結構優(yōu)化，研究隨層數(n)變化引起的結構演變及相應的電學性質。當層數n6時，金剛石結構弛豫成寡層石墨烯;當6n11時，形成一種表面類石墨、內部類金剛石的漸變類石墨-金剛石結構（我們定義為Gradient-Graphite-Diamond-Like Structure,GGDL）；當n≥12時，金剛石相得以保留。據此我們提出了最�。�12層，厚度為2.47nm）二維金剛石納米膜的概念。隨層數的增加，該體系的導電性出現從半金屬到半導體的變化。這種變化是與二維結構優(yōu)化過程中原子間sp2向sp3雜化轉化的過程相關的，電學性質的轉變依賴于結構表面的弛豫程度及每層的電子成鍵情況。 (2)進一步得到了氫化二維金剛石納米膜結構演化和電學、磁學特性與層數（n）及表面功能化的依賴關系。無論是單側加氫還是雙側加氫都可以起到穩(wěn)定金剛石結構的作用，并且隨著層數的變化可以實現對能帶的調控。雙側加氫的情況下，兩層即可穩(wěn)定，直接帶隙半導體，帶隙滿足Eg(n)=Eg+A/n，具有量子尺寸效應，沒有磁矩。單側加氫的情況下，未加氫側懸鍵的孤對電子引入了自旋，出現剩余磁矩。綜合結構優(yōu)化、分態(tài)密度以及自旋密度分布等因素，當n4時，在非加氫側的層內（層間）C-C鍵長小于（大于）加氫側，且C-C以sp2+x（0x1）雜化成鍵；隨著層數的增加，非加氫側以sp3成鍵為主，同時自旋劈裂的程度將增加。n4時，出現先增加，當n≥4時，非加氫側的弛豫很小，而且和厚度相關的量子尺寸效應降低，帶隙減小在0.74—1.17eV有減小的趨勢，之后達到穩(wěn)定值。這樣在氫化體系中，可同時實現對二維金剛石納米膜帶隙和鐵磁性的調控。 (3)研究了二維立方氮化硼(cBN)隨著層數變化結構演化過程。當層數n7層時，(111) cBN納米膜弛豫為平面六角氮化硼結構(hBN)，解釋了至今沒有觀察到寡層cBN納米膜的實驗現象。獲得了最薄的7層cBN納米膜，即n7時，初始cBN結構弛豫很小，cBN納米膜可以穩(wěn)定存在。而二維BN納米膜表面加氫有利于保持立方相，對于單側加氫的結構，當BN納米膜的N側加氫(BN-H)在n1,以及BN納米膜的B側加氫(H-BN)在n4時，即可得到穩(wěn)定的立方相納米膜結構。單側加氫對二維結構的穩(wěn)定同樣起到重要的作用，氫化可以改變B和N上的電子分布，形成sp3鍵，而隨著層數的增加，體內立方相結構中sp3作用力增強，會抑制N側向外弛豫，易于保持結構的穩(wěn)定性。 (4)在二維BN納米膜的性質研究方面，對于不加氫的氮化硼薄膜，n7時，重構的hBN納米膜為直接帶隙半導體，帶隙在4.51 4.66eV之間，沒有磁性。當n7時,穩(wěn)定的cBN納米膜具有金屬特性及磁性，，總自旋磁矩為1.3μB（1×1晶胞），并且隨著層數的增加，電學、磁學特性基本不發(fā)生變化。二維cBN納米膜通過單側加氫得到帶隙大小為3.5eV的p型半導體（H-BN納米膜）和3.1eV的n型半導體（BN-H納米膜），且在非加氫側出現了磁矩。對于H-BN納米膜，當n=14時，總自旋磁矩為1.02 0.88μB之間；當n4時，磁矩為0.72μB。對于BN-H納米膜，當n=1時，磁矩較小(0.69μB)；當層數n1時，總磁矩為0.97μB，上述兩種情況，隨著層數的繼續(xù)增加，總的磁矩保持不變。通過對納米膜表面原子雜化分析表明，磁矩的大小與不同層數BN納米膜的兩側（有氫和無氫)表面的結構弛豫引起的雜化指數變化密切相關。 我們利用第一性原理計算預測了二維金剛石及cBN納米膜結構，并深入研究了層數、表面功能化等因素對該類納米膜材料的電學和磁學性質的調控，為發(fā)現低維金剛石、cBN結構相關的新現象和拓展其研究領域，并應用于紅外自旋器件、光波導、量子隧道等納米器件領域提出了新思路。
【關鍵詞】：第一性原理計算 金剛石 氮化硼 二維納米膜 結構和性質
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：O484
【目錄】：

• 中文摘要4-7
• Abstract7-14
• 第一章 緒論14-28
• 1.1 引言14
• 1.2 新型二維納米材料14-23
• 1.2.1 碳14-19
• 1.2.2 氮化硼19-23
• 1.3 本文選題依據和主要研究內容23
• 參考文獻23-28
• 第二章 理論基礎與計算方法28-38
• 2.1 密度泛函理論28-29
• 2.2 交換關聯函數29-31
• 2.2.1 局域密度近似29-30
• 2.2.2 廣義梯度近似30-31
• 2.3 緊束縛理論31-32
• 2.4 密度泛函緊束縛方法32-33
• 2.5 CASTEP 簡介33-34
• 2.6 本文使用的計算方法34-36
• 參考文獻36-38
• 第三章 二維金剛石納米膜的結構、電學及磁學性質38-50
• 3.1 引言38
• 3.2 結構演化和電學性質38-47
• 3.2.1 晶胞及計算參數選取38-39
• 3.2.2 二維金剛石納米膜結構演化39-43
• 3.2.3 二維金剛石納米膜的電學性質43-46
• 3.2.4 二維金剛石納米膜的磁學性質46-47
• 3.3 本章小結47
• 參考文獻47-50
• 第四章 氫化二維金剛石納米膜的結構、電學及磁學性質50-60
• 4.1 引言50
• 4.2 結構演化和性質研究50-57
• 4.2.1 晶胞及計算參數選取50-51
• 4.2.2 氫化二維金剛石納米膜結構演化51-53
• 4.2.3 氫化二維金剛石納米膜的電學和磁學性質53-57
• 4.3 本章小結57-58
• 參考文獻58-60
• 第五章 二維氮化硼（BN）納米膜的結構及電學、磁學性質60-74
• 5.1 引言60
• 5.2 二維 BN 納米膜結構演化及性質研究60-70
• 5.2.1 晶胞及計算參數選取60-61
• 5.2.2 二維 BN 納米膜結構演化61-64
• 5.2.3 二維 BN 納米膜電學性質研究64-66
• 5.2.4 二維 BN 納米膜磁學性質研究66-69
• 5.2.5 雙側加氫二維 BN 納米膜結構和性質研究69-70
• 5.3 本章小結70-71
• 參考文獻71-74
• 第六章 結論與展望74-77
• 6.1 結論74-75
• 6.2 展望75-77
• 作者簡歷及科研成果77-80
• 致謝80-81

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