石墨炔和二硫化鉬納米結(jié)構(gòu)物性調(diào)控的第一性原理研究.pdf

1、納米材料因其獨特的結(jié)構(gòu)和物理特性已成為當(dāng)前科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域。其中，以石墨烯、石墨炔和二硫化鉬等為代表的一系列低維納米材料最近更是獲得了人們的廣泛關(guān)注，并在納米電子器件等領(lǐng)域逐步地展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。為達(dá)到靈活設(shè)計納米電子器件及優(yōu)化其性能的目的，從理論上探討此類材料的基本物理性質(zhì)及其調(diào)控方案因而成為一項重要的研究課題。本文利用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法，系統(tǒng)進(jìn)行了石墨炔和二硫化鉬納米結(jié)構(gòu)的力電磁學(xué)及輸運(yùn)等性質(zhì)的理論模擬與計算

2、，并在此基礎(chǔ)上著重開展其電磁學(xué)等性質(zhì)的調(diào)控研究，從而為石墨炔和二硫化鉬的實際應(yīng)用提供理論依據(jù)。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、叛芯苛耸膊牧?graphyne，graphdiyne，graphyne-3和graphyne-4)的力學(xué)特性、電子結(jié)構(gòu)以及外加應(yīng)變對其能帶帶隙的影響。研究發(fā)現(xiàn)，石墨炔結(jié)構(gòu)中所含的碳原子炔鍵鏈?zhǔn)沟闷洳牧嫌捕扰c石墨烯相比大為減弱，其面內(nèi)剛度隨碳原子鏈中炔鍵數(shù)目的增加而降低。通過對石墨炔結(jié)構(gòu)施加多種不同類型的應(yīng)變

3、，石墨炔的能帶帶隙可被顯著改變。當(dāng)雙軸拉伸應(yīng)變導(dǎo)致帶隙增大，雙軸壓縮應(yīng)變及單軸拉伸與壓縮應(yīng)變則致使帶隙減小。特別地，拉伸應(yīng)變作用下graphyne和graphyne-3均始終保持直接帶隙半導(dǎo)體特性，其價帶頂和導(dǎo)帶底均位于M或S點，而graphdiyne和graphyne-4同樣始終保持其直接帶隙特性，且價帶頂和導(dǎo)帶底恒位于Γ點，與所施加的應(yīng)變類型無關(guān)。該研究為制作基于應(yīng)變調(diào)制的新型納米電子和光電子器件提供了一種新方案。
　?、铺接?/p>

4、了α-石墨炔(α-graphyne)納米帶的電子結(jié)構(gòu)、磁學(xué)及輸運(yùn)性質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，基態(tài)時所有扶手椅形和鋸齒形α-graphyne納米帶均表現(xiàn)直接帶隙半導(dǎo)體性質(zhì)，其帶隙值隨納米帶寬度的增加而減小。不過，扶手椅形納米帶為非磁性結(jié)構(gòu)，而鋸齒形納米帶兩邊緣處磁矩呈鐵磁性排列但指向相反。通過施加一橫向電場，我們證明鋸齒形納米帶在特定電場強(qiáng)度范圍內(nèi)可轉(zhuǎn)變?yōu)榘虢饘??；阡忼X形α-graphyne納米帶所搭建的雙極系統(tǒng)，我們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)對稱性對于鋸齒形

5、納米帶的電子輸運(yùn)行為起著關(guān)鍵作用。在此基礎(chǔ)上，通過控制偏壓方向和電極的磁化，我們成功實現(xiàn)了自旋極化率接近100％的雙極自旋過濾效應(yīng)和強(qiáng)度超過500,000%的磁致電阻效應(yīng)。該研究提出了一種新的自旋電子器件設(shè)計和自旋電流操控方案，揭示了鋸齒形α-石墨炔納米帶在自旋電子學(xué)中的良好應(yīng)用前景。
　?、欠治隽送饧討?yīng)變和電場對單層二硫化鉬(MoS2)及其納米帶電子結(jié)構(gòu)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)施加一雙軸均勻應(yīng)變時，單層二硫化鉬的能帶帶隙將隨應(yīng)變強(qiáng)度

6、的增加而單調(diào)減小直至關(guān)閉。在此過程中，依次可觀察到直接帶隙半導(dǎo)體?間接帶隙半導(dǎo)體以及半導(dǎo)體?金屬兩類重要的特性轉(zhuǎn)變現(xiàn)象，分別對應(yīng)于應(yīng)變強(qiáng)度為1%和10%處。另一方面，通過施加橫向或垂直電場方法，我們還實現(xiàn)了對扶手椅形二硫化鉬納米帶能帶的有效調(diào)制。結(jié)果表明，橫向電場下單層扶手椅形納米帶的帶隙顯著減小并最終關(guān)閉，帶隙關(guān)閉所對應(yīng)的電場閾值將隨納米帶寬度增加而逐漸降低。對于多層納米帶體系，橫向及垂直電場則均可導(dǎo)致帶隙減小直至關(guān)閉，不過兩者具有不

7、同的調(diào)制能力，當(dāng)垂直電場下帶隙關(guān)閉所對應(yīng)的電場閾值隨層數(shù)增加而減小，橫向電場下其與層數(shù)無關(guān)。
　　⑷討論了表面吸附和替位摻雜對單層二硫化鉬電磁學(xué)性質(zhì)的影響。通過控制原子摻雜濃度、吸附或替位摻雜方式以及雜質(zhì)原子類型，我們發(fā)現(xiàn)摻雜二硫化鉬材料將具有豐富的電磁學(xué)性質(zhì)，且其可由半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)榇判越饘偕踔涟虢饘?，從而拓展了二硫化鉬材料在磁學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。二硫化鉬表面氣體分子的吸附研究表明，氣體分子將物理吸附于二硫化鉬表面并充當(dāng)其電荷受主或施

8、主角色，從而導(dǎo)致氣體分子和二硫化鉬間存在電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。這一理論結(jié)果很好解釋了二硫化鉬基氣體傳感器的相關(guān)實驗現(xiàn)象，為其應(yīng)用提供了理論支撐。
　　⑸研究了多種石墨烯/二硫化鉬范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的幾何與電子結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)的能帶可近似看作是由構(gòu)成其幾何結(jié)構(gòu)的石墨烯和二硫化鉬的相應(yīng)能帶疊加所得，石墨烯的π和π?亞能帶將出現(xiàn)在二硫化鉬的帶隙內(nèi)，從而石墨烯的基本能帶特征得以保留。盡管這樣，石墨烯和二硫化鉬層之間仍存在較弱的