新型二維層狀材料的理論研究.pdf

1、近年來，由于實驗技術(shù)的進步，人類如今可以制備出厚度僅為一層原子的二維材料。這些新穎的二維層狀材料不僅極大的拓寬了人類對材料領(lǐng)域的認(rèn)識，而且還具有常規(guī)材料難以匹敵的獨特性質(zhì)，因此日益受到人們的重視。得益于量子力學(xué)的研究和科學(xué)計算平臺的發(fā)展，基于密度泛函理論(density functional theory，DFT)的第一性原理計算方法在新型二維材料性質(zhì)的理論解釋，器件設(shè)計和結(jié)構(gòu)預(yù)測方面日益發(fā)揮著重要作用，并且已經(jīng)成為當(dāng)今材料研究中必不可

2、少的研究工具。本論文從第一性原理計算出發(fā)，以最近一些引起廣泛研究興趣的二維材料為立足點，通過功能基團的修飾改性，設(shè)計若干具有新穎電子和磁學(xué)特征的新型二維材料。
　　 本論文共四章，我們在第一章首先簡要介紹DFT中的理論背景，然后介紹若干常用的交換相關(guān)泛函，最后介紹一些常用的基于DFT的計算軟件包。
　　 第二章主要介紹二維材料中的明星代表-石墨烯的獨特物理性質(zhì)，如具有反常量子霍耳效應(yīng)，無質(zhì)量的狄拉克費米子和非常高的載流子

3、傳輸速率等。正是由于石墨烯具有種種其它材料所不具有的奇異特性，引起了廣泛的理論和實驗研究。其中，我們會著重介紹功能基團修飾引起的對石墨烯電子性質(zhì)的調(diào)控，這也是本論文的研究方向。
　　 第三章中我們立足于雙層石墨烯，通過第一性原理計算，系統(tǒng)地研究了雙層石墨烯在一些常見的化學(xué)功能基團如氫原子，羥基基團和氟原子的修飾下，會引起其向金剛石結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。這種結(jié)構(gòu)變化不僅新穎有趣，更加重要的是，通過對功能基團的調(diào)控，我們可以調(diào)控雙層石墨烯的電

4、子性質(zhì)和磁學(xué)性質(zhì)。我們還研究了將下層石墨烯用BN單層替換后，仍然可以發(fā)生類似的轉(zhuǎn)化，但是產(chǎn)物卻具有截然不同的電子性質(zhì)。通過進一步的理論計算和數(shù)據(jù)分析，最終合理的解釋了產(chǎn)生這種差異的原因。
　　 在第四章中，我們將研究方向拓展到其他的二維層狀材料如碳化硅，并結(jié)合最近出現(xiàn)的雙自旋極化半導(dǎo)體這一嶄新的自旋電子器件設(shè)計理念，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)雙層碳化硅表面吸附氫原子后，可以發(fā)生向纖鋅礦構(gòu)型的轉(zhuǎn)變。進一步的理論計算表明，由此產(chǎn)生的纖鋅礦構(gòu)型的氫化