新型低維納米材料的理論設(shè)計與第一性原理研究.pdf

1、二維石墨烯在費米面附近具有狄拉克錐形狀的能帶結(jié)構(gòu)，這種特殊的電子性質(zhì)引起了科學(xué)家們濃厚的研究興趣。石墨烯的邊界態(tài)主要取決于不同的邊界結(jié)構(gòu)（鋸齒型還是扶手椅型）對納米帶的物理性質(zhì)有著重要的影響。例如:鋸齒形邊界的石墨烯納米帶具有自旋極化的邊界態(tài)，在橫向電場的作用下可以具有半金屬的特性。具有半金屬性質(zhì)的材料是自旋電子學(xué)研究的前沿?zé)狳c。半金屬性是指電子的一個自旋分支表現(xiàn)出半導(dǎo)體性質(zhì)而另一電子自旋分支穿過費米能級表現(xiàn)出金屬性質(zhì)。目前的半金屬材料

2、大都含有過度金屬元素，在環(huán)境保護和生物兼容性方面存在很大的問題。因此，石墨烯納米帶表現(xiàn)出的半金屬性質(zhì)引起了人們的極大關(guān)注，但是外加電場的存在限制了石墨烯納米帶的應(yīng)用。六方氮化硼單層具有和石墨烯相似的蜂窩狀結(jié)構(gòu)和相似的晶格常數(shù)，因此容易和石墨烯形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)，利用界面可以有效地調(diào)控體系的電子結(jié)構(gòu)。除了石墨烯以外，碳還具有豐富的二維異構(gòu)體，石墨炔便是其中的一大類，它是由sp雜化和sp2雜化的碳原子構(gòu)成的二維層狀結(jié)構(gòu)，其獨特的性質(zhì)引起了理論和實

3、驗工作者的極大興趣。根據(jù)sp和sp2雜化的碳原子的分布方式的不同，石墨炔有各種結(jié)構(gòu)。最近理論中提出一種具有和石墨烯相似電子結(jié)構(gòu)的石墨炔(δ-graphyne)。但是其中的尺寸效應(yīng)尚不清楚。在此基礎(chǔ)上形成的納米帶（管）等納米結(jié)構(gòu)也缺乏相應(yīng)的研究，本論文石墨烯/氮化硼納米帶異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面對電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控規(guī)律以及δ-graphyne納米結(jié)構(gòu)的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，得到了如下重要結(jié)果:
　　(1)我們在量子力學(xué)第一性原理計算的基礎(chǔ)上，通

4、過引入五邊形和七邊形的拓?fù)淙毕輰忼X型氮化硼納米帶（ZBNNR）扶手型石墨烯納米帶(AGNR)連接在一起，形成石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米帶，研究發(fā)現(xiàn)這種異質(zhì)納米帶的電子結(jié)構(gòu)與邊界結(jié)構(gòu)有很重要的關(guān)系。當(dāng)邊界為N原子時，納米帶表現(xiàn)出鐵磁性，而邊界為B原子時卻是沒有磁性的半導(dǎo)體。此外，對N原子邊界的雜化納米帶施加軸向的應(yīng)力可以使納米帶發(fā)生鐵磁到反鐵磁性質(zhì)的轉(zhuǎn)變。這種具有可調(diào)電子結(jié)構(gòu)的異質(zhì)納米帶在自旋電子器件方面具有潛在的應(yīng)用前景。