一些二維材料的第一性原理計(jì)算與設(shè)計(jì).pdf_第1頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

1、材料在我們?nèi)粘Ia(chǎn)生活中扮演著非常重要的作用,并且其還推動(dòng)著人類文明科學(xué)的進(jìn)展。人類的文明經(jīng)歷了從石器時(shí)代,青銅器時(shí)代,以及鐵器時(shí)代等的演化,這些發(fā)展的過(guò)程都有一個(gè)相同的點(diǎn),那就是人類對(duì)材料進(jìn)行發(fā)展和改良?,F(xiàn)在,人們又對(duì)技術(shù)展開了新的革新,比如半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn),以及大規(guī)模的投入生產(chǎn)應(yīng)用,使得人類社會(huì)又進(jìn)入了更先進(jìn)的微電子時(shí)代,大大的豐富和改進(jìn)了人類的生產(chǎn)生活。但是,由于自然界常規(guī)的材料非常有限,早已無(wú)法滿足人類日益增長(zhǎng)地對(duì)材料的需求。這

2、就使得人類必須在現(xiàn)有的材料基礎(chǔ)上,通過(guò)已掌握的科學(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)出具有特定功能的新型材料??墒?,如果用常規(guī)的實(shí)驗(yàn)手段,對(duì)已有的材料進(jìn)行簡(jiǎn)單的組合,無(wú)疑需要投入大量的人力,物力和財(cái)力,這是很不現(xiàn)實(shí)的方法,而且效率也相對(duì)很低。
  另一方面,隨著量子力學(xué),量子化學(xué)的發(fā)展和改進(jìn),借助高性能的計(jì)算設(shè)備,我們可以用數(shù)值的方法求解一些復(fù)雜體系的薛定諤方程,進(jìn)而理論上得到一些體系的物理化學(xué)性質(zhì)。這樣我們就能初步的對(duì)材料進(jìn)行篩選,然后再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證,

3、這就將大大的提高實(shí)驗(yàn)工作的效率,節(jié)省不必要的開支。本論文的目的即在于介紹我們通過(guò)使用第一性原理計(jì)算,對(duì)現(xiàn)如今非常熱門的一類新型材料—二維材料進(jìn)行研究,希望通過(guò)對(duì)其進(jìn)行改良和設(shè)計(jì),理論上得到我們需要的功能材料。通過(guò)對(duì)這些功能材料的研究,希望能解決目前人類所面臨的能源緊缺,電子器件的改良和提升等方面的需求。本論文由如下六章組成。
  第一章首先簡(jiǎn)要介紹計(jì)算量子化學(xué)的基礎(chǔ)和理論框架,以及密度泛函理論。其中包含通常所使用的薛定諤方程,然后

4、對(duì)這個(gè)基礎(chǔ)方程進(jìn)行的一些列處理簡(jiǎn)化,比如絕熱、單電子近似,Hohenberg-Kohn定理,Kohn-Sham方程,然后在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的適合諸多體系的各種交換關(guān)聯(lián)泛函。通過(guò)量子化學(xué)的方法,我們可以對(duì)體系的許多性質(zhì)進(jìn)行描述,也可以研究很多類型的體系,在此基礎(chǔ)上人們還開發(fā)出了很多的方法計(jì)算體系的各種性質(zhì)。最后再簡(jiǎn)單介紹幾種常用的基于密度泛函理論發(fā)展起來(lái)的計(jì)算軟件包。
  第二章主要介紹一些目前非常熱門的二維納米材料。其中,由于石墨

5、烯是二維材料中的”明星“級(jí)材料,所以我們以其和其衍生物為開端介紹了二維材料的發(fā)展和研究狀況。在此之外,我們還介紹了六方氮化硼的合成和基本的物理化學(xué)性質(zhì);過(guò)渡金屬硫化物目前的研究狀況,和在實(shí)際當(dāng)中的應(yīng)用;黑磷作為目前新發(fā)現(xiàn)的一種二維材料,一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就引起了巨大的轟動(dòng),被人稱作帶隙最合適的二維材料,大有超過(guò)石墨烯的趨勢(shì),我們也簡(jiǎn)要的對(duì)其性質(zhì)和特點(diǎn)進(jìn)行了介紹。
  第三章研究了一種新型的二維材料——鍺烷(Germanane,GeH)。鍺烷

6、是最近實(shí)驗(yàn)上才新合成出來(lái)的一種新型二維材料,其有著很好的物理化學(xué)性質(zhì),在實(shí)際的應(yīng)用中具有很大的潛力。實(shí)驗(yàn)和理論的工作都顯示,這個(gè)材料具有1.56 eV的直接帶隙,說(shuō)明其在光解水方面能有所應(yīng)用;另一方面,其遷移率是鍺體材料的5倍,說(shuō)明在電子器件方面也能有所發(fā)展。而我們希望從理論上對(duì)這個(gè)材料進(jìn)行化學(xué)修飾,如取代的方法,繼續(xù)改進(jìn)這個(gè)材料的性質(zhì),使其具有更好的應(yīng)用前景。通常情況下,實(shí)驗(yàn)上常用氟元素進(jìn)行摻雜或取代,所以這里我們也選擇氟元素對(duì)我們的

7、體系進(jìn)行取代,由于不同的摻雜比例,以及摻雜位置都可能對(duì)體系的性質(zhì)有影響。所以我們通過(guò)第一性原理計(jì)算的方法,搭建結(jié)構(gòu),考慮不同的取代濃度和取代位置,計(jì)算得到材料的電子結(jié)構(gòu)方面的性質(zhì)。主要有能帶的寬度,能級(jí)的位置等等。通過(guò)這些性質(zhì),我們可以改良這個(gè)材料的性質(zhì),得到理論上適合做光解水的材料,為實(shí)驗(yàn)工作提供了一個(gè)可行的方案。
  第四章我們主要介紹一下由清華大學(xué)帥志剛教授小組開發(fā)的,利用第一性原理計(jì)算結(jié)合玻爾茲曼輸運(yùn)方程和弛豫時(shí)間近似理論

8、來(lái)預(yù)測(cè)一些碳和有機(jī)材料的載流子遷移率。并且成功的計(jì)算出了比如石墨烯單層,石墨烯納米條帶的載流子遷移率,跟實(shí)驗(yàn)上測(cè)量的結(jié)果符合得非常的好。我們主要學(xué)習(xí)了他們這一方法,并且將其運(yùn)用到我們所關(guān)心的二維材料的計(jì)算當(dāng)中,預(yù)測(cè)出了一個(gè)新型的二維材料C5N的載流子遷移率。
  第五章介紹了一種利用雙層二維材料之間的弱相互作用—范德瓦爾斯(van derWaals,vdW)相互作用,去完成納米尺度的高精度測(cè)量。在納米尺度的高精度測(cè)量是一個(gè)非常具有

9、價(jià)值的研究課題。目前幾乎所有的測(cè)量都集中在微米尺度(micro-scale)上,然而現(xiàn)在很多材料都已經(jīng)是納米尺度,所以我們急需發(fā)展一種新的手段去測(cè)量納米量級(jí)的物質(zhì)。常規(guī)的測(cè)量方法有光學(xué),壓電等方面。這些方法或多或少都具有缺陷和不足,所以我們需要發(fā)展一種新的方法去取代這些常規(guī)的方法。因此我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新的方法,基于vdW相互作用的納米尺度測(cè)量方法。我們?cè)O(shè)想,通過(guò)vdW作用構(gòu)建一個(gè)雙層二維材料,固定其中一層,移動(dòng)另一層,如果移動(dòng)的過(guò)程中,這

10、個(gè)材料的其他性質(zhì),比如帶隙的變化很大,這樣我們就能通過(guò)帶隙的變化來(lái)反映這個(gè)微小的位移,從而達(dá)到對(duì)納米尺度的測(cè)量。因?yàn)?,vdW相互作用是一個(gè)很弱的相互作用,移動(dòng)其中一層,并不需要很大的能量或者力,所以這也可以作為測(cè)量微小作用下位移的方法?;谝陨系臉?gòu)想,我們通過(guò)第一性原理設(shè)計(jì)和尋找,發(fā)現(xiàn)雙層藍(lán)磷(bluephosphorus)非常符合我們對(duì)這種材料的要求。并且也對(duì)比了其他雙層二維材料,得到了一個(gè)較為普適的規(guī)律,去尋找滿足這個(gè)條件的材料。<

11、br>  第六章我們從理論上搜尋到了一種二維材料,而這種材料是基態(tài)反鐵磁的金屬,其具有非常好的物理化學(xué)性質(zhì),有可能作為很優(yōu)秀的自旋電子學(xué)器件。首先,低維材料在現(xiàn)代的納米科學(xué)和納米技術(shù)中起著非常重要的作用。其中,石墨烯的發(fā)現(xiàn)和制備成為二維材料發(fā)展的里程碑。近些年來(lái),其他的二維材料也有了長(zhǎng)足的發(fā)展,其中硅烯,鍺烯也表現(xiàn)出了跟石墨烯類似的優(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì)。另一方面,自旋電子學(xué)在近些年也有著非常顯著的發(fā)展,通常我們使用的都是鐵磁材料作為自旋電

12、子學(xué)的主要材料。而最近,反鐵磁自旋電子學(xué)卻吸引了越來(lái)越多的研究者的注意,主要在于反鐵磁有很多鐵磁所不具有的優(yōu)良的性質(zhì),這些性質(zhì)只要我們加以利用,可以表現(xiàn)出相比于鐵磁更好的特性。因此,我們希望找到一些低維的(如二維材料),具有優(yōu)良性質(zhì)的反鐵磁材料。這樣的材料之前并不多見,能在較常規(guī)的情況下正常工作的,那更是幾乎沒有。所以我們希望通過(guò)第一性原理,配合全局搜索的方法,找到一種具有這些優(yōu)良性質(zhì)的材料。這不僅僅是理論的需要,更可以為實(shí)驗(yàn)上提供合成

13、的方向。
  第七章我們研究了石墨烯/二碲化鎢異質(zhì)結(jié)材料的磁阻效應(yīng)。磁阻效應(yīng)存在于一些金屬和半導(dǎo)體當(dāng)中,具體是指這些材料的電阻在外加磁場(chǎng)的作用下會(huì)有一定的相應(yīng)。如果一個(gè)材料具有較大的磁阻效應(yīng),即對(duì)外加磁場(chǎng)的相應(yīng)非常明顯,則這個(gè)材料在電子學(xué)和磁學(xué)領(lǐng)域?qū)⒂锌赡苡泻苤匾膽?yīng)用前景,比如可以用來(lái)作為磁傳感器,磁存儲(chǔ)設(shè)備等。最近,實(shí)驗(yàn)上合成出了一種新的晶體材料—二碲化鎢,這種材料具有很大的磁阻效應(yīng),遠(yuǎn)高于之前所發(fā)現(xiàn)的其他磁阻材料,引起了巨大

14、的轟動(dòng)。這里,我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)石墨烯/二碲化鎢組成的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu),兩個(gè)單層之間通過(guò)范德瓦爾斯相互作用結(jié)合在一起。我們用第一性原理計(jì)算,研究了這個(gè)材料的幾何結(jié)構(gòu),電子結(jié)構(gòu),以及磁學(xué)方面的性質(zhì)。我們發(fā)現(xiàn)這個(gè)異質(zhì)結(jié)材料,相比于二維的二碲化鎢,磁阻效應(yīng)上有很大的提升;另一方面,對(duì)比純凈的石墨烯,這個(gè)材料的載流子濃度有一定的增加,說(shuō)明在實(shí)際的應(yīng)用中,導(dǎo)電性比純凈的石墨烯更加的優(yōu)秀。整體看來(lái),異質(zhì)結(jié)在某些方面的性質(zhì)是要優(yōu)于個(gè)單組分的,這也達(dá)到了我們對(duì)材

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