掺P石墨烯结构和电子性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论第一性原理,在广义梯度近似下,本文研究本征石墨烯和掺杂不同浓度P的石墨烯结构和电子性质并发现本征石墨烯禁带宽度为零;对于P∶C掺杂比分别为1∶17、1∶7、1∶1的石墨烯,其P-C键长由0.142nm的C-C键分别增大为0.1629 nm、0.1625 nm、0.1751 nm,其对应带隙分别由零带隙变为0.28 eV、0.44 eV、1.21eV:费米能级逐渐下降.分析分波态密度后发现,在掺P石墨烯中主要为P原子的3p态电子影响其总态密度.     

4d过渡金属掺杂石墨烯体系对NO2分子的吸附

基于第一性原理的密度泛函理论对NO2分子吸附在4d过渡金属掺杂的石墨烯体系进行了研究.发现Cd原子价电子构型为4d105s2,形成饱和结构,不容易掺入石墨烯体系.调查了三种NO2分子的吸附情况,分别是N原子、一个O原子、两个O原子靠近石墨烯体系吸附点.通过能量优化获得最稳定的吸附构型.通过吸附能、电荷转移等数据研究了各吸附构型对NO2的吸附情况.纯的石墨烯体系对NO2分子的吸附较弱,吸附能小于0.2 eV,而4d掺杂可以明显提高吸附体系的吸附性能,多数吸附能超过了2 eV.其中掺Nb原子对NO2吸附效果最好,且吸附构型较稳定,吸附能为3.686 eV.此外,通过比较吸附前后带隙的变化,可发现掺Zr原子,石墨烯体系由半导体转变为金属,而掺Nb原子,石墨烯体系由金属转变为半导体.     

硒化镉纳米线在应力作用下的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算分析了不同横向尺寸的硒化镉(cdse)纳米线在拉伸和压缩单轴应力作用下的能带结构、载流子(电子和空穴)的有效质量以及迁移率的变化.计算结果表明,CdSe纳米线在施加应变或改变横向尺寸时,均表现为直接带隙半导体.随着压缩应变(0;～-10;)和拉伸应变(2;～10;)的增加,CdSe纳米线的带隙逐渐减小,但横向尺寸小的纳米线的带隙相对宽些.导带底电子迁移率随着应变从-10;至10;变化而逐渐减小,而价带顶空穴迁移率在施加应变从4;至10;变化时也缓慢减小.直径为1.2 nm的CdSe纳米线在施加的压缩应变为-10;时,电子和空穴迁移率最大,分别为2890em2·V-1·s-1和2273 cm2·V-·s-1.因此,横向尺寸较小的CdSe纳米线在合适的压应力调控下有望成为一种制备高性能新型纳米电子器件的候选材料.     

基于第一性原理对硅取代、掺杂锯齿形石墨烯纳米带的电子结构及输运性质的研究

本文基于第一性原理对硅取代、掺杂石墨烯纳米带不同位置的电子能带结构、态密度及电子器件的电子输运性质进行了分析与研究.结果表明,锯齿形石墨烯纳米带(ZGNRs)在硅原子取代及掺杂后由原来的半导体态转变为金属态.在各种模型中,对于体系态密度有贡献的一般为原子指数为1、在p轨道的硅原子(Si1p);原子指数为2、在p轨道的硅原子(Si2p)和碳原子(C2p);少量的原子指数为1、在s轨道的氢原子(H1s)和碳原子(C1s).经分析,在各取代位置中两端硅原子取代的锯齿形石墨烯纳米带的体系能量最小,表明其为最有可能发生的取代位置.在掺杂位置中,体系能量计算结果显示填隙硅原子的能量更低,最有可能发生此种掺杂.电子输运性质的研究中,在所有的取代位置中单边硅原子取代组成的电子器件电子输运性质最好.在所有电子器件模型中电子输运性质最好的是填隙硅原子掺杂模型.     

石墨烯及石墨烯/氮化硼的电子结构特性研究

化学气相沉积法生长的单层石墨烯具有卓越的力学、热学和电学特性,成为新一代纳米器件的首选材料。对石墨烯电子特性的理论研究有利于推动纳米器件的发展与应用。本文基于密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的方法,系统地研究了石墨烯及石墨烯/氮化硼的电子结构特性。结果表明,在高对称K点,带隙为零。在50~400 K范围内,由于费米面的电声子散射作用,单层石墨烯的迁移率随着温度增加呈现显著下降趋势。此外,通过对不同层间距的石墨烯/氮化硼结构的能带、态密度、电子密度等特性分析,发现随着层间距增加,能带间隙减小,导带与价带间的能量差减小。随着原子个数的增加,石墨烯/氮化硼超胞结构与原胞结构的带隙开度变化规律一致,这对石墨烯基器件的结构设计具有一定的指导意义。     

硅纳米线的制备及其光学性能的研究

通过金属催化化学刻蚀的方法中的两步法制备出了具有阵列结构的硅纳米线,研究了不同刻蚀条件对硅纳米线形貌的影响,分析了形成不同形貌的原因.测定了不同条件下制备的硅纳米线的光吸收性能,总结了影响光吸收性能的因素和原因,根据硅纳米线的光吸收图求出了硅纳米线的禁带宽度,说明了硅纳米线已经具备不同于硅片的性能.     

扶手椅型石墨烯纳米带吸附镍、铜原子链的电子结构

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了扶手椅型石墨烯纳米带吸附3d过渡金属磁性Ni和非磁性Cu单原子链的结构、电子性质和磁性.吸附体系经过弛豫后,不同宽度纳米带吸附单原子链的稳定结构是不同的.Ni比Cu原子链在石墨烯纳米带表面的吸附更为稳定.原子链吸附在纳米带的边缘洞位(即5AG-1、6AG-1和7AG-1位置)时较为稳定,且稳定程度随着纳米带宽度的增加而增加.原子链和石墨烯纳米带的相互作用使得Ni单原子链吸附体系的磁矩为零.Cu原子链吸附5AG-1的复合体系具有磁性.Ni原子链的吸附体系呈现出带隙较小的半导体性质,而Cu原子链的吸附体系全都表现出金属性质.     

氧化锌纳米线场发射第一性原理研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了不同横截面氧化锌纳米线(ZnONW)的结构稳定性和场致发射特性.结果表明:ZnONW的直径越大,原子弛豫后Zn-O键键长变化越小,体系越稳定;随外加电场增强,长径比较大的纳米线体系态密度(DOS)和分波态密度(PDOS)均向低能方向移动,最高占据分子轨道(HOMO)-最低未占据分子轨道(LUMO)能隙减少,体系电荷移向NW顶端.DOS/PDOS,HOMO/LUMO,能隙及有效功函数分析结果表明,具有较小横截面积的NW-1场发射性能最佳.     

不同参数声子晶体第一完全带隙影响因素研究

基于时域有限差分法研究了二维声子晶体的第一完全带隙,数值计算了不同基体和散射体参数下XY模式的带隙特性.结果表明随着散射体与基体密度比的增大,第一完全带隙增宽.同时研究了不同晶格结构参数和填充率参数对第一完全带隙的影响,三角晶格的填充率高于正方晶格,较宽的带隙范围.研究结论为声子晶体器件的设计提供理论依据.     

ZnO/GaN核/壳异质结纳米线能带结构和电荷分离的理论研究

采用密度泛函第一性原理的方法计算了 GaN纳米线、ZnO纳米线及其核/壳纳米线结构的能带结构,价带顶(VBM)和导带底(CBM)的电荷分布.计算表明本征GaN和ZnO纳米线材料VBM和CBM所对应电荷分布较为分散,且与直径关系不大,形成不了II型半导体电荷分离效应.GaN和ZnO组成的核/壳纳米线均保持本征GaN和ZnO纳米线的直接带隙性质.在ZnO包裹GaN的核壳纳米线结构中,不同比例的ZnO和GaN之间电荷转移均不明显, VBM和CBM电荷分布基本都是由壳层的ZnO的O原子占据,难于实现VBM和CBM电荷空间分离.在GaN包裹ZnO的核壳纳米线结构中,VBM电荷和CBM电荷分布分别主要由壳层的N原子占据和核层的O原子占据,同时ZnO和GaN之间的电荷转移量相对较大,容易形成较大的核壳内置电场,有利于促进空间电荷分离,并且随着ZnO的比例增加电荷转移量也相应增加,能有效的促进电荷分离有利于制备成 II型半导体.