類石墨烯及納米管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能預(yù)測.pdf

1、低維材料是當(dāng)前凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，石墨烯和碳納米管的制備和性能研究推動(dòng)了該領(lǐng)域的發(fā)展。石墨烯材料具有一系列獨(dú)特的物理性質(zhì)，例如:零帶隙半導(dǎo)體，高載流子遷移率，最薄的晶體，超高的剛性和彈性，極高的電導(dǎo)率等優(yōu)異的性能具有廣泛的應(yīng)用前景。碳納米管可以看成由石墨烯卷曲而成的一維結(jié)構(gòu)。根據(jù)手性、直徑、堆疊方式的不同展現(xiàn)出規(guī)律可調(diào)的電學(xué)，熱學(xué)和機(jī)械性質(zhì)，例如比金剛石還要高的熱導(dǎo)率，超強(qiáng)的機(jī)械性能，扶手椅狀納米管規(guī)律性變化的帶隙等，碳

2、納米管被認(rèn)為是下一代電子元器件的理想材料。
　　石墨烯的應(yīng)用還是會(huì)受到很多限制，例如其零帶隙的半導(dǎo)體性質(zhì)必須通過化學(xué)修飾等方式打開帶隙，才能應(yīng)用于邏輯電路等電子元器件中，石墨烯的自旋軌道耦合效應(yīng)特別弱，無法在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)量子自旋霍爾效應(yīng)，石墨烯不存在自旋極化等等。碳納米管在可控合成方面也面臨很多困難。這些問題都限制了石墨烯和納米管的實(shí)際應(yīng)用范圍?；诖耍环N被稱為“類石墨烯”的材料應(yīng)運(yùn)而生，這些類石墨烯及納米管材料具有石墨烯的部分奇

3、特性質(zhì)，比如硅稀和鍺烯是零帶隙半導(dǎo)體的性質(zhì);某些特性甚至優(yōu)于石墨烯，例如具有自旋極化零帶隙半導(dǎo)體性質(zhì)的氮化碳納米材料。隨著理論和實(shí)驗(yàn)工作的研究進(jìn)展，類石墨烯納米材料在未來的電子技術(shù)，通訊技術(shù)，機(jī)械制造，環(huán)境保護(hù)，能源動(dòng)力等各個(gè)方面擁有廣泛的應(yīng)用前景。
　　本論文通過基于密度泛函理論的第一性原理研究方法，設(shè)計(jì)研究了幾種具有新奇特性的類石墨烯納米材料。鍺化硅(SiGe)納米單層是具有零帶隙半導(dǎo)體性質(zhì)的類石墨烯單原子層化合物，二維氧化碳

4、氮材料(g-C2NO)的自旋極化零帶隙半導(dǎo)體性質(zhì)拓展了類石墨烯氮化碳材料的研究范圍，新型超硬材料bct-C8來源于冷壓T型石墨烯。一氧化碳(CO)納米管束結(jié)構(gòu)代表了固體一氧化碳低壓下穩(wěn)定的新結(jié)構(gòu)，二氧化硅(SiO2)納米片層和納米管在生物制藥，催化劑載體等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。上述材料的研究結(jié)果對于類石墨烯納米材料的實(shí)驗(yàn)合成及應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)。
　　論文的第一章主要討論研究背景和選題意義，第二章討論基于密度泛函理論的第一

5、性原理研究方法，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法以及在論文中所使用到的軟件包，第三章至第六章詳細(xì)的介紹了攻讀博士學(xué)位期間的主要研究工作和研究成果。主要研究內(nèi)容和結(jié)果如下所示:
　　1)提出了由硅原子(Si)和鍺原子(Ge)交替排列形成的穩(wěn)定的鍺化硅(SiGe)單層化合物，該材料是具有狄拉克錐能帶的類石墨烯化合物。由于硅元素和鍺元素的電負(fù)性相差很小，費(fèi)米面附近錐帶的來源是兩種原子的pz軌道，自旋耦合效應(yīng)很弱，但是區(qū)別于單質(zhì)石墨烯，SiGe單層具有選擇吸

6、附性，能夠首先在硅原子上完成氫化作用，合成具有自旋極化性質(zhì)的半導(dǎo)體HSiGe。該半導(dǎo)體具有鍺原子貢獻(xiàn)的1μB每原胞的磁性，鐵磁態(tài)最穩(wěn)定，根據(jù)伊辛模型進(jìn)行蒙特卡洛模擬證明在溫度低于110K時(shí)HSiGe保持鐵磁態(tài)性質(zhì)。另外在能量上優(yōu)于鍺烯，因此更有利于實(shí)驗(yàn)合成。
　　2)提出了由三嗪和碳氧環(huán)組成的類石墨烯氧化碳氮材料g-C2NO，聲子譜和分子動(dòng)力學(xué)模擬均驗(yàn)證了該材料的穩(wěn)定性。g-C2NO具有自旋極化的零帶隙半導(dǎo)體性質(zhì)，每個(gè)原胞具有1μ

7、B的磁矩，在費(fèi)米面上下，兩條不同曲率的能帶相切，使得電子和空穴兩種載流子有效質(zhì)量相差很大，有助于自旋注入和自旋過濾。與純g-C6N6相比，氧原子的加入，使g-C2NO費(fèi)米面升高，g-C6N6中pz軌道貢獻(xiàn)的導(dǎo)帶，在g-C2NO中成為費(fèi)米面附近的兩條相切能帶，從而產(chǎn)生自旋極化的零帶隙半導(dǎo)體性質(zhì)。作為不含金屬的有機(jī)二維材料，g-C2NO具有環(huán)境友好的特點(diǎn)，在自旋電子器件領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。
　　3)在冷壓T型石墨烯的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種新型

8、的高對稱性超硬材料bct-C8。在能量上，bct-C8比T型石墨烯更穩(wěn)定，其聲子譜沒有虛頻。盡管相對于其它超硬材料bct-C8擁有較大直徑的8元碳環(huán)構(gòu)成，但仍表現(xiàn)出較好的力學(xué)特性，在同密度材料中，它的硬度是最強(qiáng)的，在相同硬度的范圍內(nèi)，bct-C8的密度是最小的。能帶結(jié)構(gòu)顯示，該材料為寬帶隙半導(dǎo)體。作為碳元素家族的一個(gè)新成員，bct-C8的研究將對超硬材料的設(shè)計(jì)提供新的思路。
　　4)研究了Ⅳ族硅（碳）氧化物的低維結(jié)構(gòu)，提出了SiO

9、2類石墨烯結(jié)構(gòu)，即由Si-O六邊形組成的雙層結(jié)構(gòu)，層間由Si-O-Si鍵連接。證明該類石墨烯結(jié)構(gòu)比其它納米結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。由該結(jié)構(gòu)出發(fā)通過AB堆垛可以形成穩(wěn)定的多層結(jié)構(gòu)。由SiO2準(zhǔn)二維材料卷曲得到的納米管最小直徑約為12(A)。類石墨烯SiO2納米材料的結(jié)構(gòu)孔徑為5.23(A)，相較于僅有2.48(A)的石墨烯結(jié)構(gòu)，類石墨烯SiO2納米材料在分子篩選，催化反應(yīng)，緩釋微膠囊等領(lǐng)域有著獨(dú)特的發(fā)展?jié)摿ΑＡ硗?，從理論上預(yù)言了一氧化碳(CO)一個(gè)新