二维GeC结构与性质的第一性原理研究

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1、学校代码10699分类号TB34密级学号2013100367题目二维GeC结构与性质的第一性原理研究作者徐卓学科、专业材料学指导教师刘正堂教授申请学位日期2017年6月国内图书分类号：TB34西北工业大学工学博士学位论文二维GeC结构与性质的第一性原理研究博士研究生：徐卓导师：刘正堂教授李阳平副教授申请学位级别：博士学科、专业：材料学所在单位：材料学院答辩日期：2017授予学位单位：西北工业大学Classifiedindex：TB34Dissertationsubmittedinpartialfulfil

2、lmentoftherequirementsforthedegreeofDoctorofPhilosophyFirst-principlesstudyonstructureandpropertiesoftwo-dimensionalGermaniumCarbidePh.DCandidate：XUZhuoAdvisor：ProfessorLIUZhengtangProfessorLIYangpingDegreeAppliedfor：DoctorofPhilosophySpecialty：MaterialsS

3、cienceSchool：MaterialsScienceandEngineeringDateofOralDefence：2017UniversityConferringDegree：NorthwesternPolytechnicalUniversity摘要摘要石墨烯的出现以及其独特的物理和化学性质，引起了人们对二维层状纳米材料应用越来越浓的研究兴趣。石墨烯由于本征零带隙的能带结构，限制了其部分应用。于是，研究者将目光转向了类石墨烯结构的其他二维层状材料。目前已经有多种二维材料被陆续发现。如，石墨烯、硅烯

4、、锗烯、BN、MoS2、黑磷以及IV-IV、III-V、II-VI族化合物等。其中，人们发现IV主族二维化合物(2D-SiC和2D-GeC)具有类石墨烯结构和可观的带隙值。对2D-SiC的基本性质及纳米带、纳米管结构的光学、电学与磁学性质都已进行了系统的理论研究，表明其在光电器件领域有着明显的优势。理论计算预测2D-GeC在某些方面具有优于2D-SiC的性质。然而，关于2D-GeC的基础研究，特别是结构中缺陷与杂质对其本征性质的影响，电学、光学及磁学性质的调控等问题都有待深入研究。本文通过第一性原理计算方

5、法，对2D-GeC的基本性质及调控方法、相关纳米结构的性质进行了系统的研究。论文的主要研究内容和取得的结果如下：采用第一性原理计算方法，研究了通过在含空位graphene中掺Ge的方法实现二维GeC化合物的可能性。分别研究了Ge在graphene中单空位和双空位的掺杂，以及Ge链在graphene中的几种情况。结果发现，Ge原子在双空位替代时比在单空位中替代时更稳定；根据不同的替代方式和替代浓度，掺Ge的graphene表现出了从金属到半导体的多种特性，带隙值在0-0.87eV范围内变化。石墨烯中可以形成

6、Ge链结构，不同浓度的Ge链结构也对graphene的性质有很大的影响，其带隙值可在0-0.74eV范围内变化；在4×4石墨烯超胞中存在Ge单链结构时还观察到了2.9μB磁矩。系统研究了单层GeC的结构、电学和光学性质。单层GeC具有带隙值为2.19eV的直接带隙，这使得其可作为光电器件应用的潜在材料。由于其二维结构的特点，光吸收也表现出各向异性。另外，还研究了单层GeC在面内应力作用下，以及双层GeC在面外应力作用下电学和光学性质的变化规律。结果表明，在应力作用下，GeC的带隙结构可在直接带隙和间接带隙

7、间变化，导电特性可在金属与半导体之间变化。B、N以及3d过渡族金属原子替代掺杂的研究表明，各杂质原子更倾向于替代Ge原子。替代后带隙值普遍减小，并在某些体系中表现出半金属特性。过渡族金属原子不论是替代C原子还是替代Ge原子大都会引入磁性。I西北工业大学工学博士学位论文对三元二维结构Si1-xGexC化合物的基本结构、电学、热力学性质的研究发现，随着Ge浓度的变化，Si1-xGexC化合物的结构参数、力学常数以及带隙值在SiC与GeC之间变化。揭示了结构改变以及电荷转移对带隙值变化的影响规律。通过声子谱计算

8、证实单层Si1-xGexC具有动力学结构稳定性。计算了单层Si1-xGexC的相图，得到的临界温度为187.45K，并区分出了稳定相、亚稳定相以及不稳定相的区域。研究了五种不同堆垛方式的GeC双层结构的电学及光学性质。通过总能量对比，找到了最稳定的堆垛方式。在最稳定堆垛方式的基础上，研究了双层及三层GeC分别在应力场和外加电场作用下电学和光学性质的变化规律。最后还与SiC的情况进行了对比研究。结果发现，层间作用力会使带隙值减小