低維納米自旋電子材料的第一性原理研究.pdf

1、自旋電子學(xué)器件利用電子的自旋對信息進行存儲、運輸和處理，過去幾十年中在科學(xué)領(lǐng)域以及工業(yè)領(lǐng)域都引起了廣泛的關(guān)注。實用的自旋電子器件需要有較高的自旋極化率，居里溫度以及大的磁晶各向異性能等特點。另外，納米材料的研究及其應(yīng)用是凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)研究中的重要課題。在納米尺度上實現(xiàn)自旋電子器件的關(guān)鍵是研究具有上述性質(zhì)的低維鐵磁晶體。隨著石墨烯的快速發(fā)展，以及低維材料獨特多樣的電子結(jié)構(gòu)，研究者對低維半金屬材料的研究興趣一直呈指數(shù)增長。但是由于碳材

2、料中很難觀察到明顯的磁性，作為一種選擇，二維類石墨烯結(jié)構(gòu)的無機材料引起了人們的興趣。
　　金屬有機框架材料(MOFs)是由金屬和多齒有機單元通過配位鍵自組裝成的一種多孔類沸石聚合物，它能夠形成一維、二維和三維的結(jié)構(gòu)，從而被廣泛的研究。在設(shè)計MOFs材料時，根據(jù)所選擇的金屬種類，配體的尺寸和結(jié)構(gòu)或者空間位組等特點將會產(chǎn)生多種多樣的性質(zhì)。
　　近年來，隨著密度泛函理論以及相關(guān)數(shù)值算法的發(fā)展，采用第一性原理的方法在原子尺度設(shè)計和研

3、究磁性材料已經(jīng)成為重要的研究手段。在本論文中，我們使用第一性原理計算的方法，研究了理論預(yù)測的低維納米材料的基本電子結(jié)構(gòu)和磁性。本論文分為六章，主要有三部分，第一部分即第一章簡單地介紹了密度泛函理論。第二部分包括第二、三、四、五章，主要介紹了低維納米材料的基本性質(zhì)。第三部分介紹了金屬甲酸鹽框架[NH4][M(HCOO)3]的鐵電和鐵磁性。
　　第一章主要介紹了密度泛函理論的發(fā)展。首先簡單介紹了量子力學(xué)的絕熱近似和Hartree-Fo

4、ck近似，然后是Hohenberg-Kohn理論，Kohn-Sham方程，交換相關(guān)能量泛函以及幾個計算常見的軟件包。在最后部分，我們對Berry Phase理論計算電極化的方法做了具體的介紹。
　　第二章介紹了新的二維結(jié)構(gòu)Fe2Si的電子性質(zhì)和磁性。在這個工作中，基于第一性原理計算和分子動力學(xué)模擬(AlMD)，我們構(gòu)建了類石墨烯結(jié)構(gòu)的Fe2Si材料，結(jié)果表明單層Fe2Si晶體是鐵磁半金屬，并且結(jié)構(gòu)可以在高達1200K的高溫下保持穩(wěn)

5、定。它具有約780K的居里溫度和相當大的磁各項異性能，這些性質(zhì)使單層Fe2Si在自旋電子學(xué)器件和電子設(shè)備方面有很好的應(yīng)用前景。
　　第三章主要使用雜化泛函HSE06計算了單層NbS2的電子結(jié)構(gòu)和磁性，不同于PBE泛函計算的結(jié)果，HSE06的計算顯示單層NbS2是窄帶隙的雙極磁性半導(dǎo)體，并且研究了不同類型的載流子摻雜以及施加應(yīng)變對電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)的改變。
　　第四章簡單計算了從CrOX(X=Cl，Br)體相結(jié)構(gòu)中剝離出的單層CrO

6、X的基本電子性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。
　　第五章主要計算了一維的金屬有機框架結(jié)構(gòu)金屬-1，2，4，5苯四胺以及1，2，4，5苯酚的分子納米線。使用第一性原理的方法研究了這些納米線的穩(wěn)定性以及電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)。計算結(jié)果表明這些納米線的結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，并且都是半導(dǎo)體的性質(zhì)。另外，我們也分析了載流子摻雜對電子結(jié)構(gòu)的影響。
　　第六章研究了金屬甲酸鹽框架[NH4][M(HCOO)3][M=Sc-Zn]的鐵電極化以及磁性。首先，基于第一性原理