石墨烯及類石墨烯量子點結(jié)構(gòu)設(shè)計和自旋調(diào)控的第一性原理研究.pdf

1、低維納米材料具有大的表體比和顯著的量子尺寸效應(yīng)，因此其電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、磁學(xué)等方面的物理性質(zhì)與體材料有明顯的不同，近年來已成為最活躍的研究領(lǐng)域之一。自1991年碳納米管被發(fā)現(xiàn)以來，針對各種Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體納米材料的研究也隨之展開。
　　 在材料的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能調(diào)控的理論方法中，基于密度泛函理論的第一性原理計算方法被證明是一種行之有效的理論方法，可適用于研究納米材料的幾何結(jié)構(gòu)、能量穩(wěn)定性、電子結(jié)構(gòu)、磁性、化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)等

2、。第一性原理計算方法在材料設(shè)計和性能預(yù)測方面的成功應(yīng)用，對傳統(tǒng)的材料設(shè)計過程是一種創(chuàng)造性的改進(jìn)，可以有效地提高工作效率，縮短開發(fā)周期。
　　 本論文利用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法研究了低維碳納米材料中類石墨烯及石墨烯量子點的電子特性，著重研究尺寸效應(yīng)和幾何構(gòu)型對體系的電子結(jié)構(gòu)的影響，所涉及的低維納米材料主要包括氮化硼量子點、碳化硅量子點和石墨烯量子點。目的在于從原子尺度上探究此類材料的穩(wěn)定性和電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控機制和調(diào)控規(guī)

3、律，為這一類材料的合成和應(yīng)用提供理論依據(jù)。
　　 第一章是關(guān)于該論文的研究背景以及選題意義;第二章介紹了該論文所采用的理論基礎(chǔ);第三章到第五章，詳細(xì)介紹并總結(jié)了作者在攻讀博士學(xué)位期間所做的主要研究工作和取得的主要結(jié)果。主要內(nèi)容和結(jié)論如下:
　　 1.對氮化硼和碳化硅量子點的理論研究表明:由六方氮化硼(h-BN)單層裁剪而形成氮化硼量子點盡管具有與石墨烯量子點相似的原子結(jié)構(gòu)個幾何外形，但是電子結(jié)構(gòu)差別較大。氮化硼量子點的電

4、子結(jié)構(gòu)和自旋極化與其幾何外形和邊緣的形狀及鈍化方式密切相關(guān)。其中邊緣鈍化在提高氮化硼量子點穩(wěn)定性的同時，會消除量子點的自旋極化。三角形的碳化硅量子點具有自旋極化的基態(tài)，其磁矩隨著量子點的尺度增大而增大。而六角形的碳化硅量子點的基態(tài)的電子沒有自旋極化，其電子能隙隨著量子點的尺度增大而減小。為探究上述電子結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，我們將基于2pz軌道的Hubbard模型推廣用于描述氮化硼量子點和碳化硅量子的電子結(jié)構(gòu)的自旋極化。計算表明:這一推廣的Hu

5、bbard模型可以很好的解釋第一性原理的計算結(jié)果。另外，用于描述石墨烯量子磁矩的Lieb定理也可以被推廣用于描述氮化硼和石墨烯量子點。這為研究蜂巢型量子點的電子結(jié)構(gòu)提供一種簡單的方法。
　　 2.從第一性原理出發(fā)，針對碳原子摻雜的三角形氮化硼量子點的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控規(guī)律進(jìn)行了理論研究。計算中充分考慮了不同邊緣結(jié)構(gòu)、不同摻雜位置和碳原子摻雜濃度等情況。結(jié)果表明:摻雜的碳原子傾向于替代氮化硼量子點中的少子晶格，摻雜對氮化硼量

6、子點的平面性影響甚小。當(dāng)碳原子的替代位置從量子點的內(nèi)部向外部區(qū)域移動時，體系的能隙寬度呈現(xiàn)振蕩減小的趨勢，其中某些特定替代位置對應(yīng)的能隙值甚至小于相應(yīng)的石墨量子點的值。碳原子摻雜后的氮化硼量子點具有自旋極化的基態(tài)，所引入的雜質(zhì)能級相對于費米能級的位置取決于碳原子替代是多子晶格還是少子晶格。上述特性與計算所選用的關(guān)聯(lián)函數(shù)、量子點尺寸及形狀均無關(guān)。這位調(diào)控氮化硼量子點的電子結(jié)構(gòu)和自旋極化提供了一種有效的途徑。
　　 3.采用基于量子

7、力學(xué)第一性原理的理論方法對吸附在六方氮化硼襯底上的石墨烯量子點的電子結(jié)構(gòu)自旋極化進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn):石墨烯量子點穩(wěn)定的吸附構(gòu)型具有AB堆垛的特征，即，兩套子格的碳原子分別位于硼原子的正上方和BN六邊形的正上方。石墨烯量子點與氮化硼襯底間的相互作用可以降低量子點的HOMO-LUMO能隙;通過改變石墨烯量子點吸附濃度后可以調(diào)控能隙。垂直的外加電場可以調(diào)控石墨烯量子點與氮化硼襯底之間的作用，使石墨烯量子點的HOMO-LUMO能隙迅速減小，并且其