二维材料应用于纳米器件的第一性原理研究

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纳米材料是当今科学研究的热点。纳米材料往往具有优于普通材料的电学、力学、光学、热学及磁学性能，因此被广泛应用于电子器件、磁性存贮、能源转化、能源存储、表面催化、传感器甚至生物应用领域。二维纳米材料是一类新兴的纳米材料，其中最突出的二维材料当属石墨烯，石墨烯为碳原子组成的具有六角蜂窝状结构的二维材料，其具有超高的载流子迁移率，极佳的机械性能，良好的透光性，高导热性，巨大的比表面积以及量子霍尔效应等奇异的物理效应，受到了工业界和学术界的科研工作者的广泛关注。近年来，科研工作者不断探索，期望可以获得与石墨烯性质互补甚至更佳的新型二维材料。目前，大量新型二维材料已经被预测或实验合成，例如二硫化钼、二硒化钨、黑磷、蓝磷、砷烯及类石墨烯氮化镓等，这些材料同样具有优异的物理及化学性质，在很多重要领域存在潜在的应用价值。同时，随着计算机硬件的发展及数值计算方法的改进，科研工作者已经开发出许多精确、可靠且高效的量子计算方法。其中，基于密度泛函理论的第一性原理方法被科研工作者广泛用于研究纳米材料的各类性质，该方法可给出与实验值相接近的可靠结果，在国内外引起广泛关注。通过对纳米材料的性质进行理论研究，可为实验工作提供指导以提高效率并节省不必要的开支，同时还为其潜在的实际应用指明方向。基于此，本文中主要利用第一性原理计算来研究和探索一系列基于二维材料的纳米结构的各类性质及其在纳米器件中潜在的实际应用。在第一章中，简明扼要的介绍了一些目前流行的二维纳米材料。首先先对石墨烯的结构、性质、应用及制备方法进行阐述。之后还对二硫化钼、二硒化钨、黑磷、蓝磷、砷烯及类石墨烯氮化镓等其他比较热门的二维材料的性质及特点进行介绍。在第二章中，对本文中使用的理论研究方法——基于密度泛函理论的第一性原理的基本知识进行介绍。其中包含Born–Oppenheimer近似，Hartree–Fock近似，Hohenberg–Kohn定理，Kohn–Sham方程，及多种交换关联泛函等。最后，对本文中计算所使用的基于密度泛函理论的软件包进行介绍。在第三章中，利用第一性原理计算对一系列石墨烯基范德华异质结的几何结构、界面性质、电子性质及其在纳米电子器件领域的可能应用进行研究，所研究的范德华异质结包含石墨烯/类石墨烯氮化镓，石墨烯/蓝磷及石墨烯/二硒化钨。并研究了层间耦合作用、电场及缺陷对异质结电子性质的影响。最后还设计了一种基于二维材料异质结的新型电子器件——离子barristor。在第四章中，利用第一性原理计算对一系列杂质原子掺杂及吸附二维材料体系的电磁性质及其在自旋电子器件领域的可能应用进行研究，研究体系包含4d过渡金属掺杂石墨烯体系、非金属掺杂蓝磷体系及非金属吸附类石墨烯氮化镓体系。对于4d过渡金属元素掺杂石墨烯体系，运用杂化轨道理论和群论的方法分析不同体系的缺陷态，从对称性匹配原则入手，提出相应的杂化轨道模型。另外，还利用平均场方法对4d过渡金属掺杂石墨烯体系及非金属吸附类石墨烯氮化镓体系中某些磁性体系的居里温度进行估算。在第五章中，利用第一性原理计算对使用有机分子掺杂的方法提高砷烯及蓝磷光吸收性能的可能性及其在光伏器件领域的潜在应用进行探索。

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作者
孙明磊;
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作者单位

东南大学;

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授予单位东南大学;
学科机械工程
授予学位博士
导师姓名汤文成;
年度 2018
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类方言;
关键词
二维; 材料应用; 纳米器件; 第一性;

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