黑磷纳米带磁性诱导及调控的第一性原理研究

论文摘要

由于量子限域和边缘效应,二维材料蚀刻或图案化的一维纳米带可以提供更大的电子可调性,使我们在器件的功能设计和优化方面获得足够的灵活性。因此,我们迫切需要深入了解黑磷纳米带的性质及功能设计方法,以便为下一代纳米电子器件带来可能的应用,对自旋电子学的发展铺平道路。本文采用第一性原理方法研究了氢化的Zigzag和Armchair型黑磷纳米带在过渡金属元素吸附下的磁性诱导,及5%的应变作用对黑磷纳米带体系磁性的调控作用。第一章,我们简单介绍了低维纳米材料,主要是黑磷烯材料的基本结构、特异性质及广泛的应用前景,及其衍生的两类黑磷纳米带的结构及基本性质。还讲到了对纳米材料的磁性诱导及调控的常用方法,而吸附或替代掺杂过渡金属原子被认为是对纳米材料引入诱导高居里温度磁性的最有效方法。从而提出设想:研究通过在黑磷纳米带上吸附3d过渡金属原子的方法对非磁的黑磷纳米带进行磁性诱导,并尝试通过施加应变来调控体系磁性的可能性。第二章,我们介绍了在凝聚态物理计算科学以及化学、材料科学、化学工程等领域得到广泛应用的第一性原理计算方法,主要介绍了计算中使用的密度泛函理论。同时介绍了计算过程中使用到的模拟计算软件包、建模软件及后期数据处理和作图软件。第三章,我们首先建立边缘氢钝化的Zigzag和Armchair型黑磷纳米带的结构模型,采用第一性原理密度泛函理论方法,研究了吸附3d过渡金属原子的黑磷纳米带的稳定磁耦合状态及电学性质。结果表明:边缘加氢修饰的黑磷纳米带均为直接带隙非磁半导体,其电子结构具有明显的各向异性;过渡金属原子Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe和Co能够在黑磷纳米带的空位上方稳定吸附,并产生局域磁矩,没有明显改变黑磷纳米带的几何结构,保留了其纳米带结构的完整性。我们还分析了过渡金属原子吸附在黑磷纳米带表面的磁耦合性质,耦合磁矩的大小取决于过渡金属原子的种类,并通过晶体场理论解释了不同过渡金属原子吸附在黑磷纳米带上产生的局域磁矩存在明显差异的原因。最后,过渡金属原在黑磷纳米带表面的吸附改变了纳米带的电子结构,在本征黑磷纳米带的带隙中间会引入新的能带,吸附过渡金属原子后的黑磷纳米带体系带隙明显变窄,但仍为半导体性质。第四章,主要研究了吸附过渡金属原子的黑磷纳米带体系在5%的拉伸和压缩应变作用下的应变效应,包括体系的吸附能、磁耦合状态和电子性质的变化。研究发现:Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co原子在Zigzag和Armchair这两种类型的黑磷纳米带表面的吸附均表现为压缩应变作用下更稳定。另外,应变作用能够明显改变部分吸附原子体系的局域磁矩大小和磁耦合状态,引起吸附原子磁耦合状态的铁磁-反铁磁转变。应变作用明显改变了黑磷纳米带体系的电子结构,甚至还引起了Sc@ZBPNR体系由半导体向金属性质的转变。第五章,我们对全文进行了总结,并对其未来研究方向进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 引言
•   1.1 纳米材料简介
•   1.2 黑磷烯概述
•     1.2.1 黑磷烯的制备方法
•     1.2.2 黑磷烯的基本结构
•     1.2.3 黑磷烯的特异性质及应用方向
•   1.3 黑磷纳米带的基本结构及性质
•   1.4 纳米材料磁性诱导及调控方法
•     1.4.1 纳米材料磁性诱导方法
•     1.4.2 纳米材料磁性调控方法
•   1.5 本文的主要内容
• 2 研究的基本理论与方法
•   2.1 量子多体问题的基本方程
•     2.1.1 多粒子体系的薛定谔方程
•     2.1.2 多粒子体系的哈密顿量
•     2.1.3 拉格朗日乘子法
•   2.2 Hartree-Fock近似
•   2.3 密度泛函理论
•     2.3.1 Hohenberg-Kohn定理
•     2.3.2 Kohn-Sham方程
•     2.3.3 交换关联泛函
•   2.4 计算软件
• 3 黑磷纳米带磁性诱导的第一性原理计算研究
•   3.1 背景
•   3.2 计算方法
•   3.3 结果与讨论
•     3.3.1 带边加氢修饰的黑磷纳米带的结构及电子性质
•     3.3.2 过渡金属原子的性质
•     3.3.3 过渡金属原子在黑磷纳米带上的稳定吸附位
•     3.3.4 吸附过渡金属原子的黑磷纳米带体系的磁性
•     3.3.5 黑磷纳米带体系的电子性质
•   3.4 本章小结
• 4 应变对黑磷纳米带体系磁性的调控作用
•   4.1 背景
•   4.2 计算方法
•   4.3 结果与讨论
•     4.3.1 应变作用下黑磷纳米带体系的吸附能变化
•     4.3.2 应变作用下黑磷纳米带体系的磁矩变化
•     4.3.3 应变作用下黑磷纳米带体系的磁耦合性质
•     4.3.4 应变作用下黑磷纳米带体系的电子特性
•   4.4 本章小结
• 5 总结与展望
• 参考文献
• 在学期间发表的学术论文
• 简历
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李一博

导师: 贾瑜,牛春要

关键词: 第一性原理计算,黑磷纳米带,磁性,应变调控

来源: 郑州大学

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: 郑州大学

分类号: O469;TB383.1

总页数: 57

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