硼烯和碱土金属硼化物二维纳米材料的制备、结构、物性及应用研究

随着石墨烯研究的兴起,二维纳米材料得以迅速发展.在众多的二维纳米材料中,硼烯和碱土金属硼化物二维材料由于具有高费米速度、高杨氏模量、高透光性、高延展性、高度的各向异性、大的泊松比和高的化学稳定性等独特的性质,成为研究人员关注的焦点.本文侧重介绍目前硼烯和碱土金属硼化物二维纳米材料的制备工艺、结构、物性和应用情况.首先总结了目前硼烯的主要结构构型和制备及掺杂工艺;其次介绍了碱土金属硼化物二维纳米材料的理论结构构型和可能的制备路线;最后对硼烯和二维碱土金属硼化物纳米材料的物理特性进行归纳总结,同时预测它们未来最可能实现应用的领域.     

硼烯纳米带能带结构和态密度的第一性原理研究

基于密度泛函理论,采用第一性原理的方法计算H修饰边缘不同宽度硼稀纳米带的电荷密度、电子能带结构、总态密度和分波态密度。结果表明,硼烯纳米带的宽度大小影响着材料的导电性能,宽度5的硼烯纳米带是间接带隙简并半导体,带隙值为0.674 eV,而宽度7的硼烯纳米带却具有金属材料的性质。分波态密度表明,宽度5的硼烯纳米带的费米能级附近主要是由B-2s、2p电子态贡献,H-1s主要贡献于下价带且具有局域性,消除了材料边缘的不稳定性。宽度7的B-2p和H-1s电子态贡献的导带和价带处于主导地位,费米能级附近B-2p和H-1s电子态的杂化效应影响材料的整体发光性能。     

硅烯饱和吸附碱金属原子的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算, 研究了硅烯饱和吸附碱金属元素原子的稳定性、微观几何结构和电子性质, 并与纯硅烯及其饱和氢化结构进行了对比分析. 研究发现复合物SiX(X=Li, Na, K, Rb)的形成能都是负的, 相对于纯硅烯来说可以稳定存在. Bader电荷分析表明, 电荷从碱金属原子转移至硅原子. 从成键方式来看, 硅烯与氢原子形成共价键, 而与碱金属原子之间形成的键主要是离子性成键, 但还存在部分共价关联成分. 能带计算表明, 锂原子饱和吸附在硅烯形成的复合物SiLi是直接带隙的半导体, 带隙大小为0.34 eV. 其他碱金属饱和吸附在硅烯上形成的复合物都表现为金属性.     

碱金属在磷烯表面吸附，迁移行为的第一性原理研究

利用基于密度泛函理论的平面波赝势方法研究了碱金属（Li、Na、K）−磷烯体系,分析了体系的吸附性质、电学性质和迁移行为. 结果表明：碱金属在磷烯表面的最稳定吸附位都是H位.吸附过程中电荷由碱金属原子转移到磷烯,碱金属−磷烯体系表现出一定的离子性. 碱金属−磷烯体系的吸附能从大到小为ΔELi−磷烯大于ΔEK−磷烯大于ΔENa−磷烯. Li→Na→K,随着原子序数的递增,体系的离子性逐渐增强;碱金属原子越来越容易在磷烯表面迁移.     

掺杂硅烯吸附CO分子的第一性原理研究

硅烯具有独特的电子、光学、热学、力学以及量子特性,在电子器件、电极材料、储氢材料、催化剂和气体传感器等领域有巨大的潜在应用价值.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,利用Materials Studio软件中的CASTEP程序包对硅烯与CO分子之间的吸附行为进行了研究.重点研究了硅烯掺杂方式、CO分子吸附构型及硅烯空位缺陷浓度对CO分子吸附的影响,研究结果表明：1)空位缺陷硅烯对CO分子的吸附能力最强;2)碳原子垂直朝向空位缺陷硅烯更有利于CO分子的吸附;3)硅烯对CO分子的吸附能力随其空位浓度的增加显著增强;4)空位硅烯向CO分子转移电荷,电荷转移量与二者的吸附作用强弱呈正相关.该研究可为硅烯基CO气体传感器的设计提供理论指导.     

二维硼碳基纳米结构上的吸附及其性质

综述金属原子与非金属原子和分子在石墨烯、BC₃平面等二维硼碳基纳米结构上的吸附所表现出的各种物理性质及可能的应用.纯净的石墨烯为零带隙的半金属、无磁且自旋轨道耦合效应非常弱,BC₃平面为间接带隙半导体,但金属原子与非金属原子和分子的吸附可能使石墨烯体系在Dirac点处打开带隙、具有强自旋轨道耦合效应,可能使石墨烯体系与二维BC₃体系具有磁有序、超导电性及应用在氢存储上.另外石墨烯表现出非常好的分子探测性能.     

铁原子吸附联苯烯单层电子结构的第一性原理

联苯烯单层由碳原子的四元、六元和八元环组成,具有与石墨烯相似的单原子层结构.2021年5月,Science首次报道了该材料的实验合成,引起了科研工作者的极大关注.基于第一性原理的密度泛函方法,研究了铁原子在联苯烯单层的吸附构型并分析了其电子结构.结构优化、吸附能和分子动力学的计算表明,联苯烯单层的四元环空位是铁原子最稳定的吸附位点,吸附能可达1.56 eV.电子态密度计算表明铁3d电子与碳的2p电子有较强的轨道杂化,同时电荷转移计算显示铁原子向近邻碳原子转移的电荷约为0.73个电子,说明联苯烯单层与吸附的铁原子之间形成了稳定的化学键.另外,铁原子吸附于联苯烯单层后体系显磁性,铁原子上局域磁矩大小约为1.81μB,方向指向面外.因此,本文确认了联苯烯单层是比石墨烯更好的铁原子吸附载体且体系有磁性,这为研究吸附材料的电磁、输运、催化等特性提供了新的平台.     

二维硼结构中条带状空位长程有序分布的理论研究

在二维硼结构中,有序分布的高浓度空位可以增强其结构的稳定性,并对材料性能产生显著影响.根据最近的实验进展,本文重点关注二维硼结构中空位呈条带状分布的体系,提出有效模型系统研究结构稳定性随空位分布的变化.结合第一性原理计算结果,对空位不同近邻作用参数进行拟合,预测了不同空位浓度的稳定结构,发现在该体系中空位不同近邻存在竞争,导致长周期分布的趋势,揭示了不同近邻作用的相互竞争导致长周期结构稳定存在的关键机制.     

各Li吸附组分下硅烯氢存储性能的第一性原理研究

利用Li原子对硅烯进行表面修饰是提高硅烯氢存储能力的一种有效方法.为了充分挖掘Li修饰硅烯的氢存储性能,本文采用范德瓦耳斯作用修正的第一性原理计算方法,对不同Li吸附组分下硅烯的结构、稳定性和氢存储能力进行了研究.研究结果表明,硅烯体系能够在Li组分从0.11增加到0.50时保持稳定,其最大储氢量随Li组分的增加而增大,氢气平均吸附能则存在减小趋势;当Li组分达到0.50而饱和时,硅烯体系具有最大的储氢量,相应的质量储氢密度为11.46 wt%,平均吸附能为0.34 eV/H2,远高于美国能源部设定的储氢标准,表明提高Li组分甚至使其达到饱和在理论上能有效提高Li修饰硅烯的储氢性能.此外,通过对Mulliken电荷布居、差分电荷密度和态密度的分析,发现Li修饰硅烯的储氢机制与电荷转移诱导的静电相互作用和轨道杂化作用有关.研究结果可为Li修饰硅烯在未来氢存储领域的应用提供理论指导.     

硼磷烯量子点的电子结构和光学性质研究

采用紧束缚近似方法对锯齿状六边形硼磷烯量子点在平面电场和垂直磁场调控下的电子结构和光学性质进行了研究.研究表明,硼磷烯量子点作为直接带隙半导体,在无外加电场和磁场作用时,能隙不随尺寸的改变而变化.在平面电场调控下,能隙随电场强度的增加逐渐减小直至消失,平面电场方向几乎不会对硼磷烯量子点体系产生影响,且随量子点尺寸的增大,能隙消失所需电场强度逐渐减小.在垂直磁场调控下,表现为体态的能级在磁场作用下形成朗道能级,而能隙边缘处的朗道能级近似为一个平带,不随磁通量的改变而变化,态密度主要分布于朗道能级处.另外,垂直磁场作用下的光吸收主要是由朗道能级之间的跃迁引起的.     

硅甲基硼烯异构化反应的量子拓扑研究

采用ＲＨＦ和ＵＨＦ／６－３１Ｇ＊＊方法重新计算了文献报道的硅甲基硼烯（Ｈ３Ｓi－ Ｂ）异构化为硅硼杂烯（Ｈ２Ｓi－ＮＨ）学过程的ＩＲＣ途径,讨论了反应中的ＨＴ迁移 问题,得出新垢结论。着重对反应进和中的各点做了拓扑分析,讨论了反应进程中键的断裂和生成。结果表明：上述反应均经历了三员这渡结构,找到了对于这类反应的“结构过渡区”和“结构过渡态”。“结构过渡态”超前和滞后“能量过渡态”条件同样适用于“局部协     

锗烯在金属衬底上的结构及电子性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算,我们系统的研究了锗烯在Pt(111)、Au(111)和Al(111)表面的几何和电子结构.在这三种金属衬底上寻找到了9种结构,其中Al(111)-a、Au(111)-b和Pt(111)-c结构就是目前实验上已经成功制备的结构.我们还发现了其余6种目前理论和实验均没有提出,此外,Al(111)-b、Au(111)-a和Pt(111)-b结构的Dirac态仍保留,这些结构的形成能均大于范德瓦尔斯作用,因此非常有希望在实验上制备出来,应用于量子自旋霍尔效应的研究.本文的研究为锗烯在半导体衬底上的制备及应用奠定了理论基础.     

稀土Gd掺杂新型二维材料磷烯改性研究

本文采用第一性原理赝势平面波法, 计算并分析了稀土Gd掺杂磷烯的物理结构、电子结构、磁性以及光学性质. 计算表明: 在掺杂原子Gd附近引起了磷烯物理结构上的变化. 能带数量明显增多变密, 带隙变窄由0.921eV变为0.578eV. 同时, 由于Gd原子的4f和5d轨道电子两种自旋取向分布具有不对称性, 给体系引入了强磁性, 计算得到的自旋磁矩为7.470B. 磷烯材料的复介电函数是各向异性的, 同时可以得出磷烯材料在其它光学性质方面也是各向异性的. Gd掺杂后使材料的介电性能增强. 在紫外光的能量范围内, 不同极化方向上的反射率和损失函数的峰值降低, 说明Gd的掺入使材料对紫外光的敏感度有所减弱. 希望以上研究结果能为新型二维材料磷烯在光电和稀磁半导体材料的设计与开发方面提供理论依据.     

卤化硅烯结构、电子和光学性质的第一性原理研究

二维硅烯的商业用途通常受到其零带隙的抑制,限制了其在纳米电子和光电器件中的应用.利用基于密度泛函理论的第一性原理计算,单层硅烯的带隙通过卤原子的化学官能化被成功打开了,并综合分析了卤化对单层硅烯的结构,电子和光学性质的影响.研究结果表明卤化使结构变得扭曲,但保持了良好的稳定性.通过HSE06泛函,全功能化赋予硅烯1.390至2.123 eV的直接带隙.键合机理分析表明,卤原子与主体硅原子之间的键合主要是离子键.最后,光学性质计算表明,I-Si-I单层在光子频率为10.9 eV时达到最大光吸收,吸收值为122000 cm^-1,使其成为设计新型纳米电子和光电器件的有希望的候选材料.     

电场作用下P掺杂硅烯选择性吸附CH_4的第一性原理计算

在煤层气中选择性吸附和捕捉甲烷分子,对提高煤矿安全具有十分重要的意义.本文采用第一性原理计算的方法,研究了外加电场作用下P掺杂硅烯对甲烷分子的选择性吸附性能.结果表明:正电场作用下,P掺杂硅烯与甲烷分子之间产生较强的化学吸附,能够快速捕获甲烷分子.当关闭外加电场时,P掺杂硅烯与甲烷分子之间则为微弱的物理吸附,甲烷分子很容易实现脱附.同时还发现,外加电场作用下,P掺杂硅烯与氮气、氧气及水之间的吸附均属于物理吸附,表明P掺杂硅烯可以在这些混合气体中实现甲烷气体的选择性吸附. P掺杂硅烯有望成为选择性好的甲烷传感、捕获新材料.     

Cs/GaN(0001)吸附体系电子结构和光学性质研究

采用基于第一性原理的密度泛函理论平面波超软赝势方法计算了 1/4ML Cs原子吸附 (2 × 2) GaN(0001) 表面的吸附能、能带结构、电子态密度、电荷布居数、功函数和光学性质. 计算发现, 1/4ML Cs 原子在 GaN(0001) 表面最稳定吸附位为 N 桥位, 吸附后表面仍呈现为金属导电特性, Cs原子吸附GaN(0001)表面后主要与表面 Ga 原子发生作用, Cs6s 态电子向最表面 Ga 原子转移, 引起表面功函数下降. 研究光学性质发现, Cs 原子吸附 GaN(0001) 表面后, 介电函数虚部、吸收谱、反射谱向低能方向移动.     

原子吸附的二维CrI3铁磁半导体电学和磁学性质的第一性原理研究

采用第一性原理的方法系统研究了碱(土)金属原子、过渡金属原子和非金属原子吸附的二维CrI3单层的电学和磁学性质.结果表明,金属原子倾向于吸附在6个I原子形成的环中心并且与Cr原子处于同一高度,非金属原子吸附在I原子形成的环内,但位置则依赖于原子种类.除Ti和Mn原子之外的其他原子的吸附并未改变CrI3单层的本征铁磁半导...     

CO分子在Co(0001)表面吸附的第一性原理研究

应用第一性原理对CO分子在Co(0001)表面( squar3× squar3)R30°−CO吸附结构进行不同形式的密度泛函计算研究. 结果表明：吸附能修正前,仅RPBE泛函预测CO顶位吸附;而修正后PW91、PBE和PKZB泛函结果也表明CO分子Top顶位吸附最稳定,与实验结果一致.对于吸附几何结构、吸附前后体系功函、C-O伸缩振动频率和CO分子态密度分布,所有泛函给出一致的结果,且与已有实验结果符合.     

应力对硅烯上锂吸附的影响

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法研究了双轴应力作用下锂原子吸附硅烯的结构及其稳定性. 计算结果表明,在拉应力和一定的压应力作用下,锂吸附的硅烯体系基本保持原有的结构. 而当更大的压应力作用时,硅烯产生了向锂原子方向凸起的结构变化,所得到的体系的总能也有明显地下降. 本文通过对各种应力下的硅烯声子谱的计算,分析了在压应力作用下锂吸附的硅烯结构不稳定的原因. 关键词： 硅烯 应力 第一性原理 声子谱     

外场调控下硼磷烯量子点的电子结构和光学性质研究

采用紧束缚近似方法对锯齿状六边形硼磷烯量子点在平面电场和垂直磁场调控下的电子结构和光学性质进行了研究. 研究表明,硼磷烯量子点作为直接带隙半导体,在无外加电场和磁场作用时,能隙不随尺寸的改变而变化. 在平面电场调控下,能隙随电场强度的增加逐渐减小直至消失,平面电场方向几乎不会对硼磷烯量子点体系产生影响, 且随量子点尺寸的增大,能隙消失所需电场强度逐渐减小. 在垂直磁场调控下,表现为体态的能级在磁场作用下形成朗道能级,而能隙边缘处的朗道能级近似为一个平带,不随磁通量的改变而变化,态密度主要分布于朗道能级处. 另外,垂直磁场作用下的光吸收主要是由朗道能级之间的跃迁引起的.