金屬表面半導體和半金屬薄膜的第一性原理研究.pdf

1、本論文的方向是通過密度泛函理論研究過渡金屬表面各種新材料的物理化學性質。近年來相關理論和數(shù)值算法的飛速發(fā)展,使得基于密度泛函理論的第一性原理方法成為凝聚態(tài)物理、量子化學和材料科學中的常規(guī)計算研究手段。本論文對二維新型材料(從有機半導體、無機半導體到新近發(fā)現(xiàn)的半金屬graphene)進行了第一性原理研究,研究涉及的材料物性包括幾何構型、電子結構等方面。
　　 第一章簡要介紹了密度泛函理論的基本框架和近年來的理論發(fā)展。密度泛函理論的

2、發(fā)展以尋找合適的交換相關能量泛函為主線。從最初的局域密度近似(LDA)、廣義梯度近似(GGA)到現(xiàn)在的非局域泛函、自相互作用修正,多種泛函形式的相繼出現(xiàn)使得密度泛函理論可以提供越來越精確的計算結果。除了改進交換相關泛函,近年來密度泛函理論向動力學平均場和含時理論等方面的擴展也很活躍。這些擴展使得密度泛函理論的應用領域不斷擴大。在本章的最后,我們介紹了一些密度泛函理論的應用實例以展示其廣泛的用途。
　　 第二章所關注的是密度泛函理

3、論的數(shù)值計算方法。應用密度泛函理論進行具體的數(shù)值計算,首先要將解析的理論離散化?；诓煌碾x散方案,各種數(shù)值計算方法迅速發(fā)展。從古老的有限差分、有限元到新興的小波分析都被用來實現(xiàn)密度泛函理論的數(shù)值計算。與此同時,線性標度算法的日趨成熟,使得通過密度泛函理論研究諸如生物大分子之類的體系成為可能。另一方面,正是由于數(shù)值計算方法的飛速發(fā)展,我們很難選擇一種最完美的算法。不同的出發(fā)點將導致不同的選擇。本章第三部分簡單介紹了一種基于平面波的電子結

4、構計算方法及其程序實現(xiàn)方案。在發(fā)展方法和編制程序的同時,人們也常常使用一些已有的軟件包進行材料物性研究。在本章的最后,我們簡要介紹了一些常用的密度泛函模擬計算軟件包。
　　 從第三章開始,我們把目光轉向實際材料的物性研究。第三章主要研究了傳統(tǒng)的無機半導體鍺在過渡金屬Ru(0001)表面的吸附行為。這類系統(tǒng)牽涉到很多基礎問題,比如吸附結構,生長機制,表面電子結構以及表面合金化合物的形成等。對這些吸附形貌,生長機制等問題的理解將有助

5、于這類系統(tǒng)在催化或電子器件方面的應用。最近報道的掃描隧道顯微鏡(STM)實驗結果顯示:在亞單層覆蓋度下,Ge在Ru(0001)表面會形成(√21×√21)R10.9°的超結構。通過第一性原理計算得到Ge在Ru(0001)表面的吸附能隨覆蓋度的變化,從中發(fā)現(xiàn)(√21×√21)R10.9°-3Ge的模型相對來說比較穩(wěn)定。模擬得到的STM和掃描隧道譜(STS)圖像和實驗結果能夠很好符合。
　　 第四章研究了一種新型有機半導體材料并四苯

6、(tetracene)在.Ru(10(1)0)表面的吸附結構及其電子結構變化情況。并四苯具有很高的載流子遷移速率和良好的發(fā)光特性,且具有很高的對稱性。對該系統(tǒng)的研究有助于深入認識有機半導體在金屬表面的生長行為和相關電子性質。通過STM實驗和DFT計算我們發(fā)現(xiàn)并四苯的長軸沿著平行與垂直Ru(10(1)0)單晶襯底的[1(2)10]晶向各有一個穩(wěn)定吸附位置,且能量差別很小,分子的吸附位置也不在襯底高對稱位置。通過對其電子結構的分析,對并四苯

7、分子在過渡金屬表面的吸附及生長行為有了更深入的理解。理論計算的結果和實驗符合的非常好。
　　 前面兩章涉及的都是不同類型的半導體材料,在第五章中我們研究了最近剛剛發(fā)現(xiàn)的一種二維半金屬材料graphene。物理學家認為,熱力學漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以,它的發(fā)現(xiàn)立即震撼了凝聚態(tài)物理界,這一二維結構的存在可能歸結于graphene在納米級別上的微觀扭曲。graphene的電子結構中最有趣的一點是其低能激發(fā)態(tài)的電子的

8、靜質量為零,屬于Dirac費米子。在純粹的graphene中,化學勢恰好穿過Dirac點。這一僅在低能情況下存在的特殊色散關系正好模擬了量子電動力學中無靜質量費米子的情況,區(qū)別只在于graphene中的Dirac費米子的費米速度比真正的光速慢了300倍。因此很多反常的量子電動力學效應都能在graphene中被觀察到。在傳統(tǒng)的半導體中不同的載流子類型是通過離子注入或摻雜來實現(xiàn)的,而graphene的載流子類型和濃度卻可以通過外電場進行方便

9、的調節(jié)。正是因為有這些優(yōu)點,基于Graphene的電子器件將能在一個原子層的厚度內實現(xiàn)由電子和空穴區(qū)域構成的PN結,并且其極性可以由外電場控制。graphene中極高的電子遷移率也能保證了其響應速度。對這一新材料的性質的理解和控制打開了制作新一代電子器件大門。我們利用第一性原理計算方法對在Cu(111)表面通過hBN緩沖層生長的graphene層進行了研究。電子透過BN層從Cu襯底轉移到graphene上導致graphene具有n型半導