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具有六角蜂窝状结构的二维材料,如石墨烯(graphene),氮化硼(BN)和三元碳硼氮(CBN)复合体系,因为其独特的结构和丰富的物理性质,使得它们在自旋电子学、光电子器件、传感器等诸多领域有广泛的应用前景。近年来,这些新型二维体系的制备、结构和物性的表征和调控已成为热点研究课题。本博士论文采用第一性原理计算方法,研究了石墨烯和氮化硼纳米条带(nanoribbons)、BN和C4N3纳米管(nanotube)等的电子结构和磁性,发现线缺陷、替代掺杂、边缘修饰、载流子掺杂和外加电场等手段能有效调制体系物性。论文由如下七章组成。第一章首先简要介绍了电子密度泛函理论,包括薛定谔方程,绝热近似和单电子近似、Thomas-Fermi-Dirac近似、Hohenberg-Kohn第一和第二定理、Kohn-Sham方程、各种交换关联泛函以及电子密度泛函理论研究概况。最后介绍了一些常用的计算软件包的特点和功能特性。第二章概述了六角蜂窝状二维体系的研究概况。在介绍石墨烯和氮化硼等体系的实验制备方法和表征手段之后,侧重关注三元CBN的二维结构在实验上合成上的最新研究进展,并对三元CBN复合材料在合成上面临挑战及其应用前景进行了展望。第三章研究了含内嵌线缺陷石墨烯条带的电子结构、力学和磁学性质。理论计算结果表明由于能隙中引入缺陷态,5-8-5型线缺陷能够有效调制石墨烯纳米条带的带隙,调制效果依赖于条带的宽度、缺陷的位置和浓度。对于锯齿状(Zigzag)边界的石墨烯纳米条带,嵌入5-8-5线缺陷后,半导体型体系的基态表现出反铁磁性,而金属型体系表现出铁磁性。对于扶手椅(Armchair)边界的石墨烯纳米条带在嵌入线缺陷后,其带隙随着条带宽度而做周期性的震荡。第四章研究了C4N3单壁纳米管(SWCNNTs)的电子结构和磁性。理论计算结果表明SWCNNTs在室温下能稳定存在,其基态均表现出铁磁性,不依赖于边界形状。所有的Armchair型的SWCNNTs都为半金属,而小管径的Helical型SWCNNTs为双极磁性半导体(BMS)。Zigzag型SWCNNTs的电子结构依赖于管径,增大管径可以实现由半导体到半金属转变。SWCNNTs的磁矩大小可由C4N3结构单元数目来调控。最后,还发现不同手性的SWCNNTs的电子结构对拉伸和压缩应变有不同的响应,Zigzag型SWCNNTs压缩应变增大带隙,拉伸应变减少带隙,而Armchair型SWCNNTs总保持半金属性。第五章对氮化硼纳米管进行石墨烯片的替代性掺杂研究。理论研究发现通过掺杂石墨烯片的形状和尺寸能有效调控BNNTs的电子结构,掺入六角形石墨烯片时体系是自旋非极化的半导体,而掺入小尺寸三角形石墨烯片后,体系是典型的双极性磁性半导体(BMS)。三角形石墨烯片的掺杂引起电子的完全自旋极化,使体系表现出磁性,且其磁矩由Lieb理论决定。有趣的是,内嵌三角形石墨烯片后,纳米管可以通过载流子(电子和空穴)掺杂调制出半金属性。第六章研究了边界非对称H原子修饰的内嵌线缺陷的锯齿状石墨烯条带(ZGNRs)的电子结构和磁性。计算结果表明对于内嵌线缺陷ZGNRs(一侧单氢,另一侧双氢钝化)是典型的BMS,体系的电子结构明显依赖于线缺陷位置,当线缺陷位置由中心向边缘靠近时,体系由有Dirac点特征的金属性向半金属性转变。此外,体系铁磁和反铁磁之间的能量差和带隙都随纳米条带宽度增大而减小。第七章研究了内嵌三角形石墨烯片氮化硼纳米条带(BNNR)的横向电场调制效应。理论研究表明内嵌三角形石墨烯片的BNNRs表现出BMS特性,由于一级Stark效应,内嵌三角形石墨烯片锯齿状BNNRs的带隙和外加电场之间满足线性关系,而内嵌三角形石墨烯片扶手椅状BNNRs由于二级Stark效应,体系带隙和外加电场成二次函数关系。随着外加电场逐步增强,二者均可实现BMS向自旋无带隙半导体(SGS)和半金属转变,体系磁矩大小由三角形石墨烯片尺寸来决定,Lieb定理仍然适用。