基于硅烯结构的第一性原理研究.pdf

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1、基于硅烯结构的第一性原理研究作者姓名任武杰导师姓名、职称雷天民教授一级学科材料科学与工程二级学科材料物理与化学申请学位类别工学硕士提交学位论文日期2014年12月学校代码10701学号1205122217分类TN82号TN3密级公开西安电子科技大学硕士学位论文基于硅烯结构的第一性原理研究作者姓名：任武杰一级学科：材料科学与工程二级学科：材料物理与化学学位类别：工学硕士指导教师姓名、职称：雷天民教授提交日期：2014年12月FirstprinciplesstudyofSilicene-basedMaterialsAthes

2、issubmittedtoXIDIANUNIVERSITYinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterinMaterialsScienceandEngineeringByRenWujieSupervisor:Prof.LeiTianminDecember2014西安电子科技大学学位论文独创性（或创新性）声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所

3、罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文若有不实之处，本人承担一切法律责任。本人签名：日期：西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅、借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容，允

4、许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，获得学位后结合学位论文研究成果撰写的文章，署名单位为西安电子科技大学。保密的学位论文在年解密后适用本授权书。本人签名：导师签名：日期：日期：摘要摘要石墨烯具有极为优异的力学、热学和电子学特性，但其固有的“零带隙”特点限制了它在微纳电子学中的应用，虽然可以通过化学掺杂、化学吸附或引入空位缺陷等方式让石墨烯具有微小带隙，但带隙的大小难以调控。因此人们将目光投向了硅烯、锗烯以及过渡金属硫族化合物等其它的二维材料。本文基于第一性原理并借助MaterialsStudio计算软件

5、，对本征石墨烯、硅烯和锗烯的电子结构与光电特性进行了对比分析，研究了单原子空位对石墨烯电学特性与光学特性的影响，轻原子(B、C、Al、P)掺杂硅烯与双层硅烯的能带结构与光电特性，同时探索了过渡金属元素(TM=Co、Ru、Tc、Y、Rh、La)掺杂硅烯的磁学特性，得出的结论如下:1.本征硅烯、锗烯具有类似石墨烯的层状结构导致这两种二位材料都具有狄拉克特性，均属带隙为零的半金属材料。但是由于组成元素的不同，导致它们具有一些不同的特点：(1)硅烯(锗烯)中的π键轨道是先由硅(锗)原子中的3pz与部分3s轨道杂化形成类sp3的杂

6、化轨道，之后类sp3轨道之间相互重叠形成的；(2)硅烯与锗烯对红外线、可见光与近紫外光的吸收强度大于石墨烯，而对远紫外光的吸收强度小于石墨烯。2.对带有单原子空位的硅烯(SV硅烯)的研究发现，经过几何优化后，离空位最近邻的三个Si原子同时向空位紧缩而相互成键，三个最近邻的Si原子之间的距离由3.86Å变为了2.679Å。SV硅烯的带隙为0.056eV，单原子空位的引入使得硅烯费米能级处出现了C、D两条平滑的能带。计算结果表明空位对硅烯的光学性质影响不大。3.研究发现通过掺杂可以改变硅烯的能带结构和导电类型，B、Al掺杂硅

7、烯为P型掺杂，P掺杂硅烯为N型掺杂，C掺杂硅烯使得硅烯的由0eV带隙变为了0.028eV。从吸收光谱中可以得到轻原子(B、C、Al、P)掺杂降低了硅烯对所有光的吸收。双层硅烯的带隙为0.372eV的间接带隙半导体材料，对光的吸收强度大单层硅烯。4.研究发现不同的过渡金属(TM)掺杂可以使硅烯呈现出不同的磁特性，TM(Co、Ru、Tc、Rh、La)-硅烯系统的稳定性强于本征硅烯，而Y-硅烯系统的稳定性弱于本征硅烯。在自旋极化的条件下，Co、Y、Rh、La-硅烯的的净磁矩都为1μB，总磁矩分别为2.24μB、1.66μB、2

8、.19μB、2.07μB，而Ru、Tc-硅烯的净磁矩与总磁矩都为0μB，因此可知Co、Y、Rh、La-硅烯具有亚铁磁性，Ru、Tc-硅烯I西安电子科技大学硕士学位论文顺磁性。经过分析Co、Y-硅烯两者的磁性可知：Co-硅烯中Co原子提供给Co-硅烯的磁矩(0.25μB)大于Y-硅烯中Y原子提供给Y-硅烯的磁矩(0.0