碱金属原子掺杂有效改善无机AlN纳米笼的电学及非线性光学性质研究

【摘要】由于具有高的热稳定性和化学稳定性，无机氮化铝（AlN）纳米材料有着非常广阔的应用前景而备受人们的青睐。作为AlN家族中的重要成员，AlN纳米笼也受到了研究者的广泛关注。然而，无机AlN纳米笼通常具有大的HOMO-LUMO能隙，阻碍了其在纳米电子器件等领域中的应用。为了突破该瓶颈，本文基于精确的从头算量子化学方法，以无机AlN纳米笼家族中最稳定的Al12N12笼为例，研究了碱金属原子掺杂对AlN纳米笼的电学以及非线性光学性质的显著改善。主要贡献如下：1、碱金属原子能够稳定地吸附在无机AlN纳米笼的表面，其束缚能（Eb）高达11.7~33.5kcal/mol（均大于10kcal/mol）。显然，这些新形成的电子化物M@x-Al12N12（M=Li，Na和K；x=b66，b64和r6）均表现出了高的结构稳定性。2、碱金属原子掺杂能显著降低AlN纳米笼宽的HOMO-LUMO能隙：从掺杂前的6.12eV明显减小到0.49~0.71eV，并且使这些掺杂体系均表现出有趣的n型半导体特性。可见，碱金属原子掺杂能有效突破无机AlN纳米笼宽的HOMO-LUMO能隙的瓶颈，从而有利于推进AlN基纳米材料在纳米电子器件方面的实际应用。3、碱金属原子与Al12N12纳米笼作用能产生额外电子，额外电子的引入能显著提高掺杂体系的非线性光学响应。这些新形成的电子化物的第一超极化率（β0）分别是1.09×104（Li@b66-Al12N12），1.10×104（Li@b64-Al12N12），1.62×104（Na@b64-Al12N12），7.58×104（K@b64-Al12N12），8.89×105（Li@r6-Al12N12），1.36×105（Na@r6-Al12N12）和5.48×104au（K@r6-Al12N12）。此外，我们发现碱金属原子序数以及掺杂位置均能明显影响体系的β0值：对于碱金属原子掺杂在Al-N键（b64键）上形成的M@b64-Al12N12（M=Li，Na和K）体系，其β0值随碱金属原子序数的增加而增大；而对于碱金属原子掺杂在六元环（r6）上方形成的M@r6-Al12N12体系，其β0值随碱金属原子序数的增加而减小。这些结果有利于促进优越的无机AlN纳米材料在多功能纳米电子器件以及新型高性能非线性光学材料设计等多领域中的广泛应用。
【作者】牛敏；
【导师】黄旭日；
【作者基本信息】吉林大学，物理化学，2014，硕士
【关键词】无机Al12N12纳米笼；碱金属；第一超极化率；电学性质；非线性光学；

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