第一性原理研究单原子修饰的二维材料的物理化学特性

论文摘要

近年来,二维材料因其独特的物理、化学特性及其在纳米电子器件、自旋电子器件、光电器件、催化剂等领域的广泛应用而受到强烈关注。然而,为了获得更好的特性以满足实际应用的需求,通常需要用物理或化学的办法对材料的物理化学性质进行调控。例如,为了实现在自旋电子器件中的实际应用,需要在其中引入磁性并加以调控。掺杂、吸附、引入缺陷、施加应变等可以使非磁性的二维材料产生磁性。其中,单原子化学修饰和掺杂被大量的研究报道。从应用的角度讲,它可以显著调控其物理化学特性,从基础研究的角度讲,单原子修饰还可能会带来新的有趣的物理。我们知道,大多数二维材料都是本征非磁性的,本论文基于密度泛函理论的第一性原理计算,通过单原子掺杂、吸附等方式分别对InSe和C3N这两种新型二维材料的电子性质、磁性、吸附活性展开了研究,并发现了很多有趣的结果。主要的研究工作和结论如下:1.我们研究了非金属元素氢（H）、硼（B）、碳（C）、氮（N）、氧（O）、氟（F）在二维InSe单层上吸附诱导磁性的行为。研究发现,吸附C和F具有非零磁矩和良好的稳定性。重要的是,C和F修饰的InSe单层的磁性完全来自吸附原子和衬底的p电子。通过改变吸附物的覆盖度可以控制磁交换相互作用的强度。这种p电子磁性材料与传统的d或f电子磁体相比具有明显的优势。我们的研究对自旋电子学和二维磁性半导体器件的实际应用具有一定的意义。2.由于二维InSe单层的晶体中具有很大的原子间隔,使得填隙掺杂成为了可能,这在石墨烯和MoS2以及其他许多二维材料中显然是不可能的。因此,我们以硼原子为例研究了填隙掺杂对InSe单层的电子和磁性的影响,为了比较,同时也考虑了替位掺杂,其中用B替代In。研究发现,掺杂方式将对磁性的调控产生定性的不同,填隙掺杂能够诱导非零磁矩,而替位掺杂不能诱导磁性。掺杂浓度将对磁性的调控产生定量的不同。这些结果有助于未来基于InSe的自旋电子学器件的设计。3.通过研究VIIIB（Ni,Pd,Pt）和IB（Cu,Ag,Au）族金属与C3N衬底的结合强度（同时考虑石墨烯衬底作为比较）,发现结合强度呈现明显的规律性。两族金属在C3N衬底上的结合能均大于在石墨烯衬底上,5d金属（Au、Pt）的结合能大于3d（Cu、Ni）和4d（Ag、Pd）金属,并且5d金属表现出对衬底最显著的依赖性。通过结合能的筛选,我们首先选取了Pt负载的C3N为例,研究了其稳定性,电荷态、磁性。研究发现,在石墨烯上,Pt原子容易发生聚集,而在C3N衬底上,Pt原子始终能够保持以单原子态的形式彼此分离。在石墨烯衬底上Pt带正电荷,相反,在C3N衬底上Pt带负电荷。不同电荷态的Pt将显著影响气体分子的吸附活性。另外,证实了Pt修饰的有缺陷的石墨烯和C3N具有不同的磁性。前者是顺磁性的;相反,后者具有非零磁矩。这些结果对于设计单原子催化剂和自旋电子器件具有指导意义。4.基于上述研究发现的规律,我们又研究了Au负载C3N衬底的情况。研究发现,与Pt的稳定性不同,Au在C3N衬底上会发生聚集形成团簇。针对这一问题,提出了两种有效的解决方案,即:第一:引入缺陷;第二:通过单侧氧修饰。众所周知,Au的电荷态将显着影响其催化活性。这项工作表明,衬底的缺陷可以引起单原子Au（Au+和Au-）的电荷态的反转,其中缺陷诱导的空穴口袋起着至关重要的作用。关于磁性,研究表明Au修饰起双重作用,引入单原子Au可以增强或消除有缺陷的C3N的磁矩。这项工作为以后在实验和理论上获得稳定的单原子态提供了新思路,同时为自旋电子器件的设计提供了理论指导。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 研究背景
• 3N的性质及研究现状'>  1.2 InSe和 C₃N的性质及研究现状
•   1.3 单原子修饰的特点及优势
•   1.4 本课题研究意义
•   1.5 本课题的主要研究内容
• 第二章 计算方法
•   2.1 多粒子体系的薛定谔方程
•   2.2 Hohenberg-Kohn定理
•   2.3 Kohn-Sham方程
•   2.4 交换关联势Vxc[ρ]的近似形式
•   2.5 VASP简介
• 第三章 第一性原理研究吸附诱导InSe单层的磁性
•   3.1 引言
•   3.2 计算模型与方法
•   3.3 结果与讨论
•     3.3.1 吸附能和结构
•     3.3.2 吸附诱导磁性
•     3.3.3 电子结构
•     3.3.4 可能的长程磁序
•   3.4 结论
• 第四章 填隙B掺杂调控二维InSe的物理化学性质
•   4.1 引言
•   4.2 计算方法
•   4.3 结果与讨论
•   4.4 结论
• 3N和石墨烯负载单原子Pt的稳定性、电荷态、磁性'>第五章 比较研究C₃N和石墨烯负载单原子Pt的稳定性、电荷态、磁性
•   5.1 引言
•   5.2 计算方法
•   5.3 结果与讨论
•   5.4 结论
• 3N衬底负载的单原子Au的物理化学性质'>第六章 调控C₃N衬底负载的单原子Au的物理化学性质
•   6.1 引言
•   6.2 结果与讨论
•   6.3 结论
• 第七章 总结与展望
•   7.1 论文总结
•   7.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的学术论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杨博文

导师: 付召明

关键词: 第一性原理,二维材料,单原子,磁性,催化

来源: 河南师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,材料科学

单位: 河南师范大学

分类号: TB383.1;O469

DOI: 10.27118/d.cnki.ghesu.2019.000157

总页数: 64

文件大小: 4508K

下载量: 20