类石墨烯体系电子结构和磁电效应的第一性原理研究

【摘要】石墨烯表现出来的优异的物理和化学性质,如高电子迁移率、高热导率、常温霍尔效应、无质量的狄拉克费米子等,使其在众多领域都拥有巨大的应用前景。而随着石墨烯的广泛研究,石墨烯纳米带也很快地进入了人们的视野。石墨烯纳米带已经被发现具有很多优越的性质,如带隙调控、半金属等,相比锯齿型石墨烯纳米带,扶手椅型石墨烯纳米带因缺乏磁性以及费米能级附近的边缘态而相对研究较少,但一些理论研究表明,相比锯齿型石墨烯纳米带,扶手椅型石墨烯纳米带从能量以及热力学上都更加稳定的。基于在石墨烯中发现do磁性的启发,科研工作者开始研究低维系统中的其它体系的电子态,如BN和杂化的BCN系统,这类系统的单原子层结构或纳米管结构已经在实验上成功合成出来。对锯齿型的BN纳米带结构,研究发现,B边缘被H饱和,而N边缘未被H饱和时,纳米带边缘会有大的自旋劈裂。当B,C,N原子按照一定比例混合在一起,杂化的BCN系统也可以在实验上合成。不同于扶手椅型的石墨烯纳米带,研究发现扶手椅型杂化的BCN纳米带,当原胞中B原子数目和N原子数目不相等时,纳米带表现出磁性,扶手椅型纳米带自旋劈裂是由于纳米带边缘原子出现不饱和的电子态。奇特自旋劈裂的能带包括磁性半导体,半金属,磁性金属被发现。杂化纳米带中出现的这种磁性叫d0-磁性或sp-磁性,不同于传统由磁性原子诱导的磁性。通过理论方法寻找这种d0磁性材料以及探究这种磁性的来源也是计算物理的一个方向。在BC4N纳米带体系中,即使没有掺杂磁性原子,体系也会表现出do磁性。而且根据B原子和N原子是否配对,体系会表现出多种不同的优异电子性质,比如,无带隙的自旋半导体,半金属,磁性半导体,通过原子操纵的方式或垂直纳米带加电场的方式,可以使得体系在半金属和自旋无带隙半导体之间相互转换,为将来自旋电子学应用提供了另外的可行途径。具有半导体性质的过渡金属二硫属化物MoS2,因为具有独特的电学、光学、催化等性质,吸引了研究者的广泛兴趣。MoS2晶体是间接带隙半导体。每个分子层包含二个六边结构的S原子层,中间夹着一层Mo原子层,分子层内具有较强的共价键结合力,而分子层间则为较弱的范德华力,所以MoS2材料很容易解理成薄层结构,甚至是单层结构。这一性质为其在微纳电子领域的应用奠定了较好的基础。论文第一章首先简单介绍石墨烯的晶格结构、电子结构和主要制备方法,从石墨烯引入石墨烯纳米带实验和理论的研究现状；然后介绍与石墨烯结构类似的单层杂化硼碳氮以及硼碳氮纳米带的制备和电子结构等；最后简单介绍二维磁电效应和一维磁电效应的背景知识。第二章简要介绍了密度泛函理论、波函数构造、赝势等方法,并引入范德瓦尔斯作用来改善密度泛函理论。第三章我们主要用密度泛函理论研究杂化硼碳氮纳米带的电子结构和磁学性质。不同于扶手椅型石墨烯纳米带,当原胞内的硼原子和氮原子数目不相等时,扶手椅型杂化硼碳氮纳米带的边缘表现出磁性：在这些体系中,改变纳米带的宽度可以得到磁性半导体、半金属、磁性金属等有趣能带结构。扶手椅型纳米带中出现得自旋劈裂可以归因于系统的边缘出现未饱和的电子态。可以在纳米带的特定位置吸附氧原子使得体系从磁性金属转变为半金属。我们也分析了体系中硼原子和氮原子数目相等系统没有出现磁性的原因。我们的研究对于更好理解低维系统磁性的出现机制以及电子结构性质有一定帮助,更为重要的是提供一种方法,能使低维杂化硼碳氮系统变为半金属。第四章,我们用密度泛函理论研究杂化的BC4N纳米带的磁性和磁电效应。对于N富余的纳米带由于边缘N原子的未饱和的σ键作用,体系表现出100%的自旋极化。B原子和N原子“配对”的体系,引人注目的磁性也出现在系统中,出现的磁性可以用独特的BN锯齿型配对来解释。纳米带的边缘原子的磁性表现随电场变化的线性效应,我们同时计算了这种低维的磁电效应的磁电系数。杂化的BCN系统得到的d0磁性和大的磁电效应对自旋电子学有潜在的应用价值。第五章,我们用密度泛函理论研究了过渡金属二硫属化物的电学性质,研究发现具有层状结构的MoS2晶体是具有间接带隙的半导体,这和以前的研究报道相似,随着晶体MoS2层数减少的一层,体系变为直接带隙的半导体。我们进一步研究了应力对MoS2晶体电子结构的影响,随着z方向应力的增加,带隙减小,当应力大到一定程度,体系就会从半导体转变为金属。第六章是对本文的一个简要总结。
【作者】刘宗民；
【导师】杨中芹；
【作者基本信息】复旦大学，凝聚态，2013，博士
【关键词】石墨烯；单层硼碳氮体系；纳米带；第一性原理方法；自旋无带隙半导体；半金属；磁电效应；d~0磁性；外电场；过渡金属硫属化物；

【参考文献】
[1]陈旺琨.祛瘀化痰通络方对中风（急性脑梗死）的临床研究[D].湖北中医药大学,中医内科学,2013,硕士.
[2]徐凡.针对中高级外国学生《老子》思想文化教材的设计[D].厦门大学,汉语国际教育,2014,硕士.
[3]郝明杰.基于IBM S/390大型主机的证券账票管理系统[D].吉林大学,软件工程,2012,硕士.
[4]刘志鹏.D高校EMBA学位论文质量管理研究[D].大连理工大学,工商管理（专业学位）,2013,硕士.
[5]李昊.吉林省人口城镇化过程中存在的问题及对策研究[D].吉林大学,人口学,2014,硕士.
[6]左弯弯.基于加速度传感器技术的小学生体力活动现状的研究[D].苏州大学,运动人体科学,2012,硕士.
[7]胡春英.中层管理者激励因素对激励效果影响关系的研究[D].内蒙古大学,工商管理,2014,硕士.
[8]谢梦.中国学习者在韩语学习中常现语法错误研究[D].吉林财经大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[9]高艳东.智能电话中数字传真机的设计与实现[D].哈尔滨工业大学,微电子学与固体电子学,2013,硕士.
[10]张转婷.基于嵌入式Web服务器的静电监测系统设计与实现[D].河北科技大学,计算机技术,2013,硕士.
[11]聂振华.舰船齿轮箱支撑基座的隔振性能分析及改进技术研究[D].哈尔滨工业大学,机械设计及理论,2014,硕士.
[12]焦健.基于大众传播的马克思主义哲学大众化研究[D].西南大学,马克思主义哲学,2013,硕士.
[13]万华星.家蚕五龄期丝腺氧化还原态的变化[D].苏州大学,生物化学与分子生物学,2013,硕士.
[14]张国栋.TASC II A、B型股腘动脉闭塞的外科治疗（附212例病例分析）[D].吉林大学,血管外科,2013,硕士.
[15]李伟力,陈玉红,霍菲阳,张奕黄.大型水轮发电机转子旋转状态下磁极间流体流动与温度场分析[J].中国电机工程学报,2012,09:132-139+20.
[16]马明.冠心病合并糖代谢异常患者冠脉病变特点的分析[D].延安大学,内科学,2014,硕士.
[17]朱胤霖.城乡居民社会养老保险实施中的问题与对策研究[D].中南民族大学,法学理论,2013,硕士.
[18]何虹.二苯乙烯苷通过抑制ROS相关的线粒体和JNK,P38通路对MPTP诱导的帕金森病小鼠模型的神经保护作用[D].第四军医大学,中西医结合临床（专业学位）,2014,硕士.
[19]黄太波.躯感网信息安全传输机制的研究与实现[D].山东财经大学,管理科学与工程,2013,硕士.
[20]郑爱萍.染整生产的物流建模与优化技术研究[D].华侨大学,电工理论与新技术,2013,硕士.
[21]杨乐.论检察机关提起环境民事公益诉讼[D].广东财经大学,法律（专业学位）,2014,硕士.
[22]程雅慧.县域高中阶段教育结构的研究[D].青海师范大学,教育学原理,2012,硕士.
[23]王俊峰,冯玉龙.光强对两种入侵植物生物量分配、叶片形态和相对生长速率的影响[J].植物生态学报,2004,06:781-786.
[24]苏忍锁.剩余格与基于剩余格的几类代数系统的关系[D].陕西师范大学,基础数学,2004,硕士.
[25]周良.基于SOA的服务封装技术的研究与实现[D].东北大学,系统工程,2010,硕士.
[26]吴珍珍.满足老年人社会交往需求的户外健身路径设计研究[D].浙江工业大学,2013.
[27]张春光.论刑法因果关系[D].华东政法学院,刑法学,2004,硕士.
[28]朱昱陶.论学习歌曲中听觉模仿与原谱学习的关系[D].云南艺术学院,MFA声乐表演,2014,硕士.
[29]汪玮.乌尔逊凹陷泥岩分布的表征[D].东北石油大学,地质工程（专业学位）,2013,硕士.
[30]张博.论道德直觉能力及其培养策略[D].河北师范大学,思想政治教育,2013,硕士.
[31]陈新建.供电系统信息管理发展趋势分析[J].江苏电机工程,2004,06:37-40.
[32]叶明,李经彩,杨鸣京,郑天娇.准则修订背景下企业合并的会计处理方法说明[J].财会月刊,2015,01:108-110.
[33]丁少慧.科研管理办公自动化系统的设计与实现[D].东北师范大学,2005.
[34]胡新华.轴向柱塞泵静压支承球铰副及柱塞副的理论研究[D].浙江工业大学,2003.
[35]张磊.民办高职院校教师绩效考核问题研究[D].兰州理工大学,工商管理,2013,硕士.
[36]陈振坤.纳米填料改性环氧树脂低温力学性能研究[D].中国科学院研究生院（理化技术研究所）,2009.
[37]袁祖培.微纳米有机无机杂化纤维的制备和表征[D].中原工学院,材料学,2012,硕士.
[38]张伟娜,何伟,井新利.超声波辅助制备高浓度稳定的石墨烯分散液[A].中国化学会.中国化学会第27届学术年会第04分会场摘要集[C].中国化学会:,2010:1.
[39]高胜荣.论商业银行风险管理中VAR的借鉴[D].西南财经大学,工商管理,2004,硕士.
[40]董春霞.神经网络模糊PID控制在加热炉温度控制中的应用[D].河北工业大学,控制理论与控制工程,2004,硕士.
[41]许金喜.Android平台上邮件客户端的设计与实现[D].西南交通大学,软件工程,2014,硕士.
[42]程方圆.试论清末陕西有线电报的建设（1889年-1911年）[D].延安大学,中国近现代史,2014,硕士.
[43]陈卓敏.大规模伤亡事件过负荷医院护理质量评价指标体系研究[D].第二军医大学,护理学,2013,硕士.
[44]周昕.小学中年级生活作文教学策略研究[D].东北师范大学,教育,2012,硕士.
[45]张永祥.软件性能测试结果分析工具的研究与设计[D].北京交通大学,计算机科学与技术,2013,硕士.
[46]张丽兰.无直接利益冲突群体性事件的政府管控机制研究[D].华中师范大学,公共管理,2013,硕士.
[47]毕瑶.基于反射纵波的压力容器压力测量方法研究[D].浙江大学,控制科学与工程,2014,硕士.
[48]张高磊.金蝶国际的服务转型战略研究[D].浙江工业大学,2012.
[49]高进.棉花1号染色体上纤维长度QTL的精细定位及其单QTL近等基因系的创建[D].南京农业大学,作物遗传育种,2013,硕士.
[50]杨习贝,吴陈,傅凡.不完备信息系统中属性增减下粗集近似概念的更新[J].江苏科技大学学报(自然科学版),2005,06:64-69.