類石墨烯二維材料及其納米帶的物理力學(xué)性能研究.pdf

1、低維納米材料因?yàn)槠渲T多奇異的性質(zhì)和在未來納米器件中潛在的應(yīng)用受到了科技界的普遍關(guān)注。由于量子限制效應(yīng)的存在，低維納米材料具有與塊體材料迥異的物理性質(zhì)、化學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性能，展示出一般宏觀材料難以具備的功能。盡管對(duì)這些低維納米材料基態(tài)性質(zhì)的研究日新月異，納米材料獨(dú)特的力-電-磁耦合性質(zhì)和外場調(diào)控研究還處于相對(duì)初步的階段。本文基于第一性原理的密度泛函理論，結(jié)合非平衡的格林函數(shù)方法，對(duì)石墨炔、氧化鈹?shù)阮愂┒S材料及其一維納米帶和鋸齒型石墨烯

2、納米帶的性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的物理力學(xué)研究。通過對(duì)這類低維納米材料施加電場等外加物理場，我們深入研究了它們的結(jié)構(gòu)、電性、磁性和輸運(yùn)性質(zhì)的變化，得到了豐富的力-電-磁耦合規(guī)律。主要內(nèi)容歸納如下：
　　(1)石墨炔及其納米帶本征的電子輸運(yùn)性質(zhì)研究：石墨炔，同石墨烯類似，為碳的二維同素異形體，其結(jié)構(gòu)中包含了碳碳雙鍵C=C和碳碳三鍵C≡C，有著與石墨烯類似的奇異的電子性質(zhì)。盡管石墨炔及其納米帶的電子、光學(xué)和力學(xué)性質(zhì)被廣泛研究，但是對(duì)其電子輸運(yùn)性

3、質(zhì)的研究卻十分缺乏。通過第一性原理的密度泛函理論計(jì)算，結(jié)合非平衡的格林函數(shù)方法，我們系統(tǒng)地研究了四種石墨炔結(jié)構(gòu)（α-graphyne、β-graphyne、γ-graphyne和6,6,12-graphyne）及其納米帶（GyNR：α-GyNR、β-GyNR、γ-GyNR和6,6,12-GyNR）的本征電子輸運(yùn)性質(zhì)。在這四種二維石墨炔結(jié)構(gòu)中，6,6,12-graphyne呈現(xiàn)顯著的各向異性的輸運(yùn)性質(zhì)。在所有的一維GyNR中，扶手椅型Gy

4、NR為非磁性半導(dǎo)體，而鋸齒型GyNR為非磁性半導(dǎo)體或者反鐵磁半導(dǎo)體。在扶手椅型GyNR中，α-GyNR和6,6,12-GyNR顯示明顯的負(fù)微分電阻（NDR）效應(yīng)。而鋸齒型α-GyNR和鋸齒型6,6,12-GyNR展現(xiàn)對(duì)稱性依賴的輸運(yùn)性質(zhì)，即非對(duì)稱的條帶展現(xiàn)導(dǎo)體狀的線性電流—電壓（I–Vb）特性，而對(duì)稱性的條帶在一定的偏壓范圍內(nèi)電流非常微弱，這是由于費(fèi)米面附近出現(xiàn)了輸運(yùn)帶隙。該對(duì)稱性依賴的輸運(yùn)性質(zhì)源于不同對(duì)稱性的結(jié)構(gòu)中π*和π子帶之間存在

5、不同的耦合作用。不同于α-GyNR和6,6,12-GyNR，鋸齒型β-GyNR和鋸齒型γ-GyNR展現(xiàn)負(fù)微分電阻效應(yīng)。
　　(2)新型的類石墨烯材料——二維六方 BeO片及其一維納米帶的電、磁性質(zhì)研究：隨著具有優(yōu)異性質(zhì)的石墨烯的發(fā)現(xiàn)，諸如氮化硼、金屬硫族化合物、過渡金屬氧化物等二維層狀材料重新激發(fā)起人們的研究興趣。通過第一性原理的計(jì)算，我們理論預(yù)測(cè)了一種新型的類石墨烯材料——二維六方BeO單層，并詳細(xì)研究了二維BeO片及其一維納米

6、帶的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、電子和磁性質(zhì)。計(jì)算表明，不同于半導(dǎo)體的石墨烯納米帶（GNR）和絕緣的氮化硼納米帶（BNNR），所有的鋸齒型BeO納米帶（Z-BeO NR）為反鐵磁的金屬，不論邊緣是否鈍化。邊緣H鈍化的Z-BeO NR的極化的電子自旋來自于較弱的Be-H鍵中未成對(duì)的電子，而邊緣裸露的Z-BeO NR的極化電子自旋來自于邊緣O原子的2p態(tài)。相反，所有扶手椅型BeO納米帶（A-BeO NR）為非磁性半導(dǎo)體，不論邊緣是否鈍化。特別地，由于奇特的

7、邊緣局域效應(yīng)，所有邊緣裸露的A-BeO NR的帶隙基本為一常數(shù)。所有A-BeO NR的帶隙能被外加橫向電場有效降低，甚至電場強(qiáng)度達(dá)到某一臨界值后，帶隙能被關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)帶隙關(guān)閉所需要的臨界電場強(qiáng)度值隨著條帶的寬度增加而降低，這就為A-BeO NR的實(shí)際應(yīng)用提供了可能。穩(wěn)定性分析表明，條帶寬度相同時(shí)，邊緣裸露的BeO NR比邊緣H鈍化的BeO NR穩(wěn)定性高。邊緣裸露的A-BeO NR在所有的條帶中穩(wěn)定性最高。
　　(3)邊緣存在凸起臺(tái)階

8、的鋸齒型石墨烯納米帶的電、磁性質(zhì)調(diào)控研究：由于獨(dú)特的電子性質(zhì)和豐富的由邊緣態(tài)導(dǎo)致的磁性，鋸齒型石墨烯納米帶是近年來研究進(jìn)展最為迅速的一種材料。以前的研究主要關(guān)注于邊緣平整的鋸齒型石墨烯納米帶(ZGNR)。然而在制備和實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常觀察到其邊緣結(jié)構(gòu)比較粗糙，一般存在著5～10?的邊緣凸起臺(tái)階。我們通過系統(tǒng)的第一性原理計(jì)算，研究了邊緣存在周期性凸起臺(tái)階的鋸齒型石墨烯納米帶（ZS-GNR）的電子性質(zhì)和磁性質(zhì)。計(jì)算表明，ZS-GNR的電子性質(zhì)

9、和磁性質(zhì)由凸起臺(tái)階的長度和兩相鄰臺(tái)階間的距離這兩個(gè)因素決定。當(dāng)凸起臺(tái)階長度較小時(shí)，隨著凸起臺(tái)階之間距離的增大，體系經(jīng)歷非磁性半導(dǎo)體—金屬—磁性半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變。特別地，隨著凸起臺(tái)階長度的增加，帶隙首先減小到零，然后逐漸增大，而邊緣原子磁矩迅速增大。當(dāng)臺(tái)階長度超過臨界值后，不論兩相鄰臺(tái)階之間的距離多少，ZS-GNR均為磁性半導(dǎo)體。計(jì)算結(jié)果還表明，施加橫向電場可以增大非磁性 ZS-GNR的帶隙，這主要是因?yàn)橥饧与妶銎茐牧四軒У暮啿?。而這種外加電