低維納米材料物理力學(xué)性能和力電調(diào)控研究.pdf

1、外場（電場、力場等）作用下低維納米材料和器件的力電磁性能一直是是納米科技的研究熱點之一。低維納米材料由于量子限制效應(yīng)的存在，具有與塊體材料迥異的物理力學(xué)性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性能，使得低維納米材料成為受人矚目的明星材料，其在下一代電子器件、邏輯器件以及光學(xué)器件等方面的應(yīng)用被寄予厚望。本文使用基于密度泛函理論的第一性原理模擬的方法，在不受外場和受到外加力場、電場或者有缺陷情況下，深入研究了低維石墨烯材料、硼碳氮摻雜材料和二硫化鉬材料的電磁性

2、能，以及低維石墨烯材料中線性磁電效應(yīng)的調(diào)控機制。
　　1.石墨烯相關(guān)材料的電性和磁性能調(diào)控研究:石墨烯相關(guān)材料是近年來研究進展最為迅速的一種材料，其獨特的電子學(xué)性質(zhì)和豐富的由邊緣態(tài)或缺陷態(tài)導(dǎo)致的磁性尤其重要。這里，我們通過第一性原理計算的方法，首先深入研究了有Stone-Wales缺陷對鋸齒形石墨烯納米條帶的電子性質(zhì)和磁性的影響，發(fā)現(xiàn)Stone-Wales缺陷在條帶中的對稱性缺失可以導(dǎo)致條帶出現(xiàn)非零的總磁矩。隨著位于條帶邊緣的缺陷

3、往中心移動，條帶的總磁矩逐漸減小到零，同時條帶會從金屬性變化到半金屬性直到最后表現(xiàn)出半導(dǎo)體的性質(zhì)。更為重要的是，本研究組最近在硅基底上的石墨烯納米帶體系中發(fā)現(xiàn)了以前只有在多鐵材料中才有的電調(diào)控磁性。在這里，我們進一步揭示了磁性石墨烯納米片放置在具有不同化學(xué)勢基底上面的時候，出現(xiàn)的非線性到線性磁電效應(yīng)轉(zhuǎn)換的機制。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)在石墨烯納米片和石墨烯基底之間放上一層氮化硼的時候，磁電效應(yīng)會從非線性到線性耦合轉(zhuǎn)化。因此，石墨烯納米片和基底之間的電

4、子軌道作用是磁性石墨烯材料中出現(xiàn)線性和非線性磁電效應(yīng)的關(guān)鍵。這對于制備和操作高質(zhì)量的電子和自旋器件提供了新的思路和方法。
　　有機分子與石墨烯成鍵作為一種調(diào)制石墨烯相關(guān)材料電磁性能的常用方法，對這種方法進一步的探索在實驗和理論研究中都具有很重要的意義。我們研究了將氨基分子[CON(CH3)2]對石墨烯或者納米管功能化的情況。發(fā)現(xiàn)當(dāng)石墨烯的兩個子格均衡的被氨基分子鈍化的時候，表現(xiàn)半導(dǎo)體性質(zhì)的功能化石墨烯帶隙會隨著氨基分子密度的增加而

5、增大。而此時對于金屬性的功能化石墨烯，其電子性質(zhì)則幾乎不受氨基分子密度增加的影響。當(dāng)石墨烯兩個子格不均衡的被氨基分子鈍化的時候，功能化石墨烯會具有內(nèi)稟的磁性。隨著氨基分子密度的增加，功能化石墨烯的電子性質(zhì)會從半導(dǎo)體變化到半金屬，直到最后出現(xiàn)金屬性質(zhì)。對于鋸齒形碳納米管，當(dāng)其兩個子格不均衡的與氨基分子成鍵的時候，功能化的納米管會根據(jù)分子的覆蓋方式而表現(xiàn)金屬或者半導(dǎo)體的性質(zhì)。半徑大于一個極限值的功能化鋸齒形碳納米管還可以表現(xiàn)出內(nèi)稟的磁性。當(dāng)

6、其兩個子格不均衡地與氨基分子成鍵的時候，功能化的納米管都是半導(dǎo)體，其帶隙隨著兩個相鄰氨基分子沿管徑方向距離的增大而增大。而所有功能化扶手椅形碳納米管都表現(xiàn)金屬非磁性質(zhì)。
　　2.BGN納米條帶的電子和磁性質(zhì)研究:硼碳氮材料具有帶隙可調(diào)節(jié)的電子性質(zhì)和自發(fā)的磁性質(zhì)，一直以來備受大家關(guān)注。我們研究了氫原子邊緣鈍化BC2N納米條帶(BC2N的二維結(jié)構(gòu)是由B-N鍵與C-C鍵間隔排列的六圓環(huán)作為基本單元構(gòu)成)的電子性質(zhì)、磁性質(zhì)以及穩(wěn)定性。鋸齒

7、形邊緣的BC2N納米條帶(z-BC2NNRs)依賴于邊緣原子的排布情況，可以表現(xiàn)出內(nèi)稟的半導(dǎo)體或者金屬性質(zhì)。特別是，當(dāng)條帶寬度足夠?qū)挼臅r候，磁性甚至半金屬性質(zhì)在一些種類的z-BC2NNRs中都可以出現(xiàn)。取決于條帶中硼碳氮原子的比例，扶手椅形的BC2N納米條帶(a-BC2NNRs)可以顯示半導(dǎo)體或者金屬性。半導(dǎo)體a-BC2NNRs的帶隙隨著條帶寬度的增加而逐漸減小。而在條帶寬度大于一個極值的時候，金屬性的a-BC2NNRs會表現(xiàn)出內(nèi)稟的磁

8、性，這是第一次報道扶手椅形納米條帶中發(fā)現(xiàn)內(nèi)稟磁性。所有半導(dǎo)體BC2N納米條帶的帶隙起源都可以用條帶兩邊緣直接電荷的極化來解釋。該研究發(fā)現(xiàn)對于硼碳氮摻雜低維結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提供了一個有效的方法。
　　3.應(yīng)變導(dǎo)致的二硫化鉬單層、雙層、納米帶和納米管電磁性質(zhì)的變化:低維二硫化鉬具有不同于其三維塊體結(jié)構(gòu)的直接帶隙性質(zhì)和電子輸運性質(zhì)，最近在光學(xué)領(lǐng)域和邏輯器件領(lǐng)域被大家廣泛關(guān)注和研究。在這里我們系統(tǒng)研究了二硫化鉬單層、雙層、納米帶和納米管的電磁性

9、質(zhì)隨著應(yīng)變變化的規(guī)律。首先，對于二維的單層二硫化鉬分別施加了等向性應(yīng)變和單軸應(yīng)變，在拉伸應(yīng)變下直接帶隙的二硫化鉬會變成間接帶隙半導(dǎo)體，帶隙隨著應(yīng)變的增大而逐漸減小;而在壓縮應(yīng)變下，其直接帶隙的性質(zhì)不會改變，而帶隙則會先增大然后減小。對于雙層二硫化鉬在受到等向性拉伸應(yīng)變的時候，其間接的帶隙值會線性減小直至達到6％的應(yīng)變;而在等向性壓縮應(yīng)變下，間接的帶隙值會首先增加，然后減小，當(dāng)應(yīng)變大于-4％的時候會成為直接帶隙半導(dǎo)體。一維鋸齒形二硫化鉬納

10、米條帶在生長方向受到單軸應(yīng)變的時候，其總磁矩隨著應(yīng)變從-5％變化到5％而逐漸增大，當(dāng)壓縮應(yīng)變大于-5％的時候磁矩會減小為零，或者拉伸應(yīng)變大于5％的時候，磁矩會迅速的指數(shù)增加。對于一維扶手椅形二硫化鉬納米管，拉伸或者壓縮的單軸應(yīng)變會線性的減小或者增加其帶隙，在納米管的管徑比較小或者拉伸應(yīng)變比較大的時候，納米管的帶隙會被完全關(guān)閉。對于鋸齒形二硫化鉬納米管，應(yīng)變導(dǎo)致帶隙的變化表現(xiàn)非線性形式，拉伸應(yīng)變可以減小其帶隙，而壓縮應(yīng)變則會首先增大其帶隙