论文摘要
以单层石墨烯为代表的二维纳米材料因其丰富的物理化学性质以及在各个领域的广泛应用而备受关注。近年来,二维纳米材料的研究成果层出不穷,涉及到的材料包括石墨烯、硅烯、锗烯、锡烯、磷烯和金属硫族化合物等。这些二维纳米材料丰富了的低维纳米材料体系,其优异的性质在凝聚态物理、材料化学和纳米技术等研究领域均表现出重要的应用价值。目前,二维纳米材料的研究已经成为材料科学的前沿。例如,在半导体应用方面,二维半导体纳米材料通常具有较高的载流子迁移率、超大的比表面积以及外场可控的能带结构和带边位置,为实现新型纳电子器件和高效的光催化等应用提供了新途径。在自旋器件应用方面,二维磁性体系具有较稳定的自旋极化性质,能够满足超高的存储速度、超大容量信息存储和处理能力以及器件尺寸微型化等多种需求,推动了新一代高性能自旋纳米器件的发展。在本论文中,我们采用基于密度泛函理论（DFT）第一性原理计算方法,系统地研究了多种二维纳米材料的结构、电子性质、载流子迁移率、光催化水解和自旋极化等性质,探讨了表面修饰、外部应力、掺杂、吸附等因素对体系物理化学性质的调控,并进一步揭示了其微观物理机制和潜在的应用价值。二维纳米材料在光催化、自旋极化等方面的研究,为能源转换和降低能耗提供了系统的理论指导。论文包含以下章节:第一章,绪论,介绍了二维纳米材料的发展现状及应用,并简要概括了本论文的主要研究内容;第二章,理论方法,着重介绍了密度泛函理论;第三章,介绍了新型二维材料五元环锡单层的结构设计和电子性质,以及在光解水和纳电子器件中的应用价值;第四章,研究了二维锡的单硫族化合物、二硫族化合物以及由它们构造的双层垂直异质结（VHT）的电子性质及其在光催化水解方面的应用;第五章,研究了空穴掺杂的单层In2Se3磁性的调控及其在自旋器件中的应用,并讨论了空气中小分子对材料性能的影响;第六章,对本论文的研究内容和创新点进行了总结,并对新型二维纳米功能材料的发展做了展望。论文的主要研究内容和结论如下:（1）提出了两种结构稳定的锡单层材料,氢化的五元环锡单层（p-SnH）和部分氟化的五元环锡单层（p-SnHF）,发现这两种新结构的形成能比已经生长在Bi2Te3（111）衬底的锡烯的形成能低。同时,我们给出了合适的衬底SiC（100）面,论证了其实验制备的可行性。单层的p-SnH和p-SnHF是由锡的五元环构成的,表面分别用H原子和F原子修饰,所有Sn原子均为sp3杂化。研究表明,单层p-SnH和p-SnHF分别是带隙为2.02 eV和1.88 eV的间接带隙半导体和直接带隙半导体材料,合适的禁带宽度使得它们对可见光具有很强的吸收。它们的载流子迁移率均比较高,分别能够达到769 ccm2 V-11s1和2520 cm2 V-1 s-1,而且,电子和空穴迁移率差别比较大,能够降低体系的载流子复合几率。特别是p-SnHF具有合适的带边位置,能够满足光催化水解对氧化还原电位的要求,因此它是一种极具潜力的光催化材料。而p-SnH在施加较小应力（<5%）时,带边位置也能达到光水解的要求。这些研究结果说明单层p-SnH和p-SnHF在光催化水解制氢和纳电子器件中具有潜在的应用价值。（2）研究了单层锡的硫族化合物SnX（X=S,Se）、SrnX2以及由它们构成的垂直异质结SrnX/SnX2的电子结构及其在光催化水解中的应用。单层SnX和SnX2的形成能远小于MoS2的,因此我们预测它们的单层结构能够通过简单的机械方法制备。单层SnS和SnSe分别是带隙为1.98 eV和1.40 eV的间接带隙半导体和直接带隙半导体;单层SnS2和SnSe2均是间接带隙半导体,禁带宽度分别是2.34 eV和1.41 eV。因此,锡的硫族化合物均是窄带隙半导体材料,能够俘获太阳光的主要波段,在光学材料中具有潜在的应用价值。它们各向异性的载流子迁移率比较高,其中,SnSe和SnS2分别能够达到2486.93 cm2 V-1 s-1和2181.96 cm2 V-1 S-1。而且,它们的光生激子结合能比较低,说明电子和空穴容易分离。施加较小的应力后,SnX的带边位置能够满足光催化水解的要求,因此,它们有望用作光解水材料。此外,单层SnS和SnS2可以通过范德瓦尔斯（VDW）作用构成垂直异质结。SnS和SfnS2的带阶比较大,因此,异质结SnS/SnS2的带隙非常小,约0.08 eV,而且,费米面附近的导带和价带分别是由SnS和SnS2贡献的。构成异质结后,SnS和SnS2各自的带隙都有微弱的减小。这种异质结可以用作光催化水解材料,分别在SnS表而和SnS2表面产生氢气和氧气。并且,由于两层材料的电负性差别较大,在层与层之间能够产生一个有效势场,加速载流子分离和转移,从而有效提高了光催化水解的效率。（3）探索了 Ⅲ-Ⅵ族二维纳米材料α/β-In2Se3的电子结构、可控的磁性以及在自旋器件中的应用。单层α/β-ln2Se3均是由5个原子层构成的结构,其中,α-In2Se3垂直方向的结构对称性被打破,因而它是一种极性二维材料。研究结果表明,单层α/β-In2Se3通过空穴掺杂能够引入磁性,自旋磁矩均能达到1μB/空穴。特别是用砷（As）原子替换Se原子引入空穴时,体系磁性得到加强,同时,α-In2Se3转变为半金属,β-In2Se3变为双极磁性半导体。而且,由于层状In2Se3具有室温面内铁电性,我们预测砷掺杂的In2Se3（In2Se3-As）可能是多铁材料。基于以上特性,我们构造了两种类型的自旋纳米器件,在门电压的调控下,均能实现100%的自旋极化。我们进一步探讨了空气中小分子（O2和H2O）吸附对这两种材料性能的影响。α-II2Se3和β-In2Se3载流子迁移率分别是1.04 x 103 cc12 V-1 s-1和1.39 × 103 ccm2 v1 s-1。当表面吸附氧气分子时,α-In2Se3的电子迁移率会严重降低,而ββ-In2Se3的电子迁移率变化很小,因为吸附氧气后,α-II2Se3导带底（CBM）的电荷密度明显减弱,而β-In2Se3的变化很小。不论吸附氧气还是水,α/β-In2Se3的空穴迁移率总是在x方向降低,但在y方向增加。这是由于吸附分子后,分子与In2Se3之间产生库伦相互作用,使得价带顶（VBM）的电荷密度在xy平面内发生转向,由x方向向y方向旋转,因而电荷密度的交叠在x方向减弱,而在y方向增大。
论文目录
文章来源
类型: 博士论文
作者: 李晓腾
导师: 刘德胜
关键词: 第一性原理计算,二维纳米材料,光催化水解,自旋极化
来源: 山东大学
年度: 2019
分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑
专业: 物理学,化学,化学
单位: 山东大学
分类号: O469;O643.36;O644.1
总页数: 137
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