钛碳二维结构的理论研究

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石墨烯的发现引起了人们对低维结构广泛的兴趣,例如纳米管、纳米线、纳米带和纳米片等,本文基于密度泛函理论,采用VASP软件包对构建出来的新型的TiC2与TiC3二维单层片进行计算研究,为了与构建出来的两种二维结构进行比较,我们进一步使用CALYPSO软件包进行TiC2与TiC3的结构预测,并对得出的最稳定的结构进行详细的讨论。第二部分我们计算研究了由TiC2单层片切割得到的三种纳米带结构,计算结果如下:  (1)在b方向钛原子连接起来形成之字形结构,而碳原子形成了扶手椅结构,它们交错排列构成了稳定的TiC2二维结构,命名为TiCα2。通过从头算分子动力学的计算得出,在温度达到1500K时它能够保持结构的稳定性,但当温度升高500K时,拓扑结构发生严重的破坏,不再稳定。声子谱的计算也表明这种片结构是具有很高的动力学稳定性的。通过bader电荷分析得出,TiCα2二维结构的磁矩是0.004μB/atom。使用混合密度泛函理论计算了能带结构,能带图中可以看出,有能带穿过费米面,体现了导体的特性。通过总态密度和分波态密度的计算得出,TiCα2二维结构的电子态密度在费米面附近及其以上主要由Ti3d态贡献,而费米面以下电子态密度主要由C2p与Ti3d杂化贡献。  (2)为了与TiCα2二维结构形成对比,我们使用CALYPSO软件包进行了结构预测,我们预测出来了115种结构,并从中挑选出了结构不相同的并且焓值最低的前六种结构,我们将这六种结构进行几何优化得出,我们构建的TiCα2二维结构具有最低的自由能,平均每原子的自由能是-8.376eV/atom,其次就是CALYPSO软件包预测出来的焓值最低的二维结构(TiCβ2),并对其进行了详细的计算。在温度达到1500 K时,它能够保持结构的稳定性,但声子谱的计算表明,这种结构有虚频。它是具有0.332μB/atom的导体,电子态密度显示在费米面附近及以上主要由Ti3d态贡献,而费米面以下电子态密度主要由C2p与Ti3d杂化贡献的。  (3)我们构建了六种TiC3单层片结构,经过几何优化得到了最稳定的单层片(TiCα3)。TiCα3单层片中六个碳原子构成正六边形,每两个碳原子正上方有一个钛原子,这样形成了有褶皱的二维结构,它是一种无磁性的具有0.301eV的间接带隙的半导体,稳定温度能够达到1500K,但当达到2000K时拓扑结构被破坏。电子态密度显示在费米面附近及以上主要由Ti3d态贡献,而费米面以下电子态密度主要由C2p与Ti3d杂化贡献。  (4)通过使用CALYPSO软件包进行结构预测,我们预测出来50种TiC3结构,从中挑选出来了拓扑结构不相同并且焓值比较低的前四种结构,经过几何优化得出,TiCα3单层片的自由能是这五种结构中最低的,平均每原子自由能是-8.367eV/atom,其次就是CALYPSO软件包预测出来的焓值最低的二维结构(TiCβ3),我们对其进行了详细的计算。通过分子动力学模拟和声子色散谱的计算,我们得出TiCβ3单层片在800K以下能够保持结构的热力学稳定性,由声子谱得出,最高频率达到了1720cm-1,表明了强大的钛碳键。  (5)zigzag TiC2纳米带基本上是无磁性的,在不同的带宽下表现出了金属性,半金属性和半导体三种性质。armchair TiC2纳米带既具有铁磁性而且还表现出了与带宽无关的金属的特性。armchair-zigzag TiC2纳米带具有铁磁性,在不同的带宽下表现出了金属性和半导体两种特性。zigzag TiC2纳米带比armchair-zigzag TiC2纳米带要稳定,而这两种纳米带都要比armchair TiC2纳米带稳定。所有这三种纳米带的键能都随着带宽的增加而增加。
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