石墨烯和六方氮化硼纳米片的几何结构、电子结构、磁性及边缘特性研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法,计算了多种尺寸的石墨烯和六方氮化硼纳米片的性质,系统研究了其中的量子尺寸效应.研究的最大尺寸纳米片的直径约为5.5 nm,包含816个原子.对纳米片及其边缘的几何结构、电子结构、磁性性质以及电子分布进行了深入探讨,发现石墨烯和六方氮化硼纳米片最外层原子有由锯齿形向圆形变化的趋势,使得纳米片最外层更加平滑.随着纳米片尺寸的增加,能级由分立逐渐变得连续,纳米片由孤立分子态逐渐变得接近无限的晶体;禁带宽度总体有下降的趋势,符合量子尺寸效应.纳米片存在明显的磁性,磁矩主要集中在最外层原子上,且在相对平滑的地方容易出现磁性,相对弯曲的地方不易出现磁性.当增加体系的电子数时,增加的电子主要分布在最外层,使得纳米片整体磁性呈递减的趋势;当减少体系的电子数时,减少的电子的分布逐渐由最外层向内收缩,体系的总磁矩略有增加.研究结果对石墨烯和六方氮化硼纳米片的应用有参考价值.     

氮化硼纳米片的电子结构和自旋调控

单层氮化硼纳米材料具有与石墨烯相似的原子排列方式, 但是由于硼原子和氮原子之间的电荷转移, 两种材料的电子特性具有较大的差异. 本文采用Hubbard模型和量子力学第一性原理计算相结合的方法研究了具有氢原子饱和的锯齿型边界的三角形氮化硼纳米片(Nanoflake) 的电子结构, 发现：与相应的石墨烯纳米片不同, 出现在氮化硼纳米片费米能级附近的零能态(zero-energy-states)要么被电子完全占据, 要么是全空的, 表现出自旋简并的特点; 通过对氮化硼纳米片进行电子(或空穴)掺杂可以有效地调控"零能态"上的电子占据, 进而对氮化硼纳米片的自旋进行调控. 这将为氮化硼纳米材料在自旋电子学等领域的应用提供重要的理论依据. 关键词： 氮化硼纳米片 电子结构调控 Hubbard 模型 量子力学第一性原理     

六方氮化硼单层有序缺陷和无序缺陷体系几何结构、电子结构和磁性性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法,系统研究了12×12的六方氮化硼单层(h-BNS)有序缺陷和无序缺陷对体系几何结构、电子结构和磁性性质的影响,并与理想的h-BNS、一个B原子缺陷体系(VB)、一个N原子缺陷体系(VN)进行比较. 研究发现：缺陷周围原子位置发生明显改变;硼原子缺陷体系的费米能级向下移动而氮原子缺陷体系的费米能级向上移动,并且硼原子缺陷体系费米能级的相对移动比氮原子缺陷体系费米能级的相对移动大;h-BNS本身没有磁矩,但缺陷体系都有磁矩,其中VB 和VN体系的总磁矩为1μB,其余的有序和无序缺陷体系的总磁矩也都不为零且B原子缺陷体系的总磁矩明显大于N原子缺陷体系的总磁矩。     

六方氮化硼单层有序缺陷和无序缺陷体系几何结构、电子结构和磁性性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法,系统研究了12×12的六方氮化硼单层(h-BNS)有序缺陷和无序缺陷对体系几何结构、电子结构和磁性性质的影响,并与理想的h-BNS、一个B原子缺陷体系(V_B)、一个N原子缺陷体系(V_N)进行对比.研究发现:缺陷周围原子位置发生明显改变;硼原子缺陷体系的费米能级向下移动而氮原子缺陷体系的费米能级向上移动,并且硼原子缺陷体系费米能级的相对移动比氮原子缺陷体系费米能级的相对移动大;h-BNS本身没有磁矩,但缺陷体系都有磁矩,其中V_B和V_N体系的总磁矩为1μB,其余的有序和无序缺陷体系的总磁矩也都不为零且B原子缺陷体系的总磁矩明显大于N原子缺陷体系的总磁矩.     

六方氮化硼单层有序缺陷和无序缺陷体系几何结构、电子结构和磁性性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法,系统研究了12×12的六方氮化硼单层(h-BNS)有序缺陷和无序缺陷对体系几何结构、电子结构和磁性性质的影响,并与理想的h-BNS、一个B原子缺陷体系(VB)、一个N原子缺陷体系(VN)进行比较. 研究发现：缺陷周围原子位置发生明显改变;硼原子缺陷体系的费米能级向下移动而氮原子缺陷体系的费米能级向上移动,并且硼原子缺陷体系费米能级的相对移动比氮原子缺陷体系费米能级的相对移动大;h-BNS本身没有磁矩,但缺陷体系都有磁矩,其中VB 和VN体系的总磁矩为1μB,其余的有序和无序缺陷体系的总磁矩也都不为零且B原子缺陷体系的总磁矩明显大于N原子缺陷体系的总磁矩。     

单层正三角锯齿型石墨烯量子点的电子结构和磁性

采用基于密度泛函理论的广义梯度近似(GGA),对不同尺寸(N=2—11)的单层正三角锯齿型石墨烯量子点(Z_N -GNDs)的结构进行优化,得到与实验数据较好符合的晶格常数,进一步计算得到不同尺寸下体系的自旋多重度、磁矩、电子态密度以及自旋电子密度.结果表明:所有体系都呈现金属性,在尺寸较小的体系中量子尺寸效应对电子结构的影响比较明显;与单层石墨烯片一样,sp²杂化作用和非键态电子在量子点中仍起到非常重要的作用;费米能级上有自旋向上的电子分布,体系的 关键词： 石墨烯 量子点 电子结构 磁性     

氢化与氟化五边形石墨烯双层电子性能调控的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,我们研究了氢化、氟化及氢氟化五边形石墨烯双层对其电子性能的调控.计算结果表明,氢化和氟化的五边形石墨烯双层可分别在价带顶及导带底形成局域的电子态而显著降低带隙.基于这一特性,我们进一步研究氢氟化的五边形石墨烯双层结构对电子能带的影响,并且发现通过调控氢氟化覆盖度能够有效调节带隙,进而实现五边形石墨烯双层从半导体到金属态的转变.     

Co对单层MoS_2电子结构与磁性的影响

为了研究Co对单层MoS_2电子结构和磁性的影响,本文基于第一性原理,采用数值基组的方法计算了Co吸附式掺杂、Co替代式掺杂单层MoS_2的能带结构、态密度以及分析了其结构的稳定性.结果发现:Co替换式掺杂体系的形成能较低,实验上容易实现;Co在Mo位吸附的稳定性强于在S位吸附;Mo位吸附体系的总磁矩为0.999μB,其磁矩的主要来源于Co原子的吸附所贡献的0.984μB,Co原子的掺杂体系总磁矩为1.029μB,其磁矩的主要由Co原子替代掉一个Mo原子所贡献的磁矩为0.9444μB,相比于吸附体系,Co原子对磁矩的贡献率有所降低;无论是Co吸附在单层MoS_2表面还是Co直接替代掉Mo原子的掺杂体系,Co原子3d轨道的引入是引起单层MoS_2体系磁性的主要原因.     

应力调控对单层TiOCl2电子结构及光学性质的影响

基于密度泛函理论的第一性原理计算,对单层TiOCl₂的电子结构、输运性质和光学性质进行了理论研究.对单层TiOCl₂材料的声子谱、分子动力学和弹性常数的计算结果表明,该材料在常温下能稳定存在,并具有较好的动力学、热力学和机械稳定性.电子结构分析表明,单层TiOCl₂是一种间接窄带隙半导体(能隙为1.92 eV).在应力调控下,单层TiOCl₂材料的能带结构、输运性质和光学性质均发生明显变化.沿a方向施加-4%的收缩应力后,单层TiOCl₂由间接带隙变为直接带隙,带隙减小至1.66 eV.同时TiOCl₂还表现出明显的各向异性特征,电子沿b方向传输(迁移率约为803 cm~2·V^-1·s^-1),空穴则沿a方向传输(迁移率约为2537 cm~2·V^-1·s^-1).此外,施加收缩应力还会使单层TiOCl₂材料的光吸收率、反射率和透射率的波峰(谷)发生红移...     

第一性原理研究semi-Heusler合金CoCrTe和CoCrSb的半金属性和磁性

采用第一性原理的全势能线性缀加平面波方法,对semi-Heusler合金CoCrTe和CoCrSb的电子结构进行自旋极化计算.CoCrTe和CoCrSb处于平衡晶格常数时是半金属性铁磁体,其半金属隙分别为0.28和0.22 eV,晶胞总磁矩为3.00μB和2.00μB.CoCrTe和CoCrSb的晶胞总磁矩主要来自于Cr原子磁矩.Co,Te和Sb的原子磁矩较小,它们的磁矩方向与Cr原子的磁矩方向相反.使晶格常数在±13%的范围内变化(相对于平衡晶格常数),并计算CoCrTe和CoCrSb的电子结构.计算研究表明,CoCrTe和CoCrSb的晶格常数变化分别在-11.4%—9.0%和-11.2%—2.0%时仍具有半金属性,并且它们晶胞总磁矩稳定于3.00μB和2.00μB.     

双空位掺杂氟化石墨烯的电子性质和磁性

基于密度泛函理论,计算了外来原子X(Al,P,Ga,As,Si)双空位替代掺杂氟化石墨烯的电子特性和磁性.通过对计算结果分析发现,与石墨烯的双空位掺杂类似,氟化石墨烯的双空位掺杂也是一种较为理想的掺杂方式.通过不同原子掺杂,氟化石墨烯的电子性质与磁性均发生很大变化:Al和Ga掺杂使氟化石墨烯由半导体变为金属,并且具有磁性;P和A8掺杂使氟化石墨烯变为自旋半导体;Si掺杂氟化石墨烯仍是半导体,只改变带隙且没有磁性.进一步讨论磁性产生机制获得了掺杂原子浓度与磁性的关系,并且发现不同掺杂情况的磁性是由不同原子的不同轨道电子引起的.双空位掺杂不仅丰富了氟化石墨烯的掺杂方式,其不同电磁特性也使此类掺杂结构在未来的电子器件中具有潜在应用.     

应变对两层半氢化氮化镓薄膜电磁学性质的调控机理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理模拟计算,研究了在应变作用下两层半氢化氮化镓纳米薄膜的电学和磁学性质.没有表面修饰的两层氮化镓纳米薄膜的原子结构为类石墨结构,并具有间接能隙.然而,当两层氮化镓纳米薄膜的一侧表面镓原子被氢化时,该纳米薄膜却依然保持纤锌矿结构,并且展示出铁磁性半导体特性.在应变作用下,两层半氢化氮化镓纳米薄膜的能隙可进行有效调控,并且它将会由半导体性质可转变为半金属性质或金属性质.这主要是由于应变对表面氮原子的键间交互影响和p-p轨道直接交互影响之间协调作用的结果.该研究成果为实现低维半导体纳米材料的多样化提供了有效的调控手段,为其应用于新型电子纳米器件和自旋电子器件提供重要的理论指导.     

Orbital electronic heat capacity of hydrogenated monolayer and bilayer graphene

The tight-binding Harrison model and Green's function approach have been utilized in order to investigate the contribution of hybridized orbitals in the electronic density of states(DOS) and electronic heat capacity(EHC) for four hydrogenated structures, including monolayer chair-like, table-like, bilayer AA- and finally AB-stacked graphene. After hydrogenation, monolayer graphene and bilayer graphene are behave as semiconducting systems owning a wide direct band gap and this means that all orbitals have several states around the Fermi level. The energy gap in DOS and Schottky anomaly in EHC curves of these structures are compared together illustrating the maximum and minimum band gaps are appear for monolayer chair-like and bilayer AA-stacked graphane, respectively. In spite of these, our findings show that the maximum and minimum values of Schottky anomaly appear for hydrogenated bilayer AA-stacked and monolayer table-like configurations, respectively.     

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.     

Tuning the electronic and magnetic properties of the Si nanoribbons through dangling bond

Combined with three spin configurations, the effects of the dangling bonds on the electronic and magnetic properties of both zigzag edge and armchair edge Si nanoribbions (ZSiNR and ASiNR) have been investigated systematically by the first-principles calculations in the local spin-density function theory. The dangling bonds at one edge or both edges make ZSiNR to transform from ferromagnetic state of the perfect ZSiNR to antiferromagnetic state. However, the dangling bonds at one edge and both edges make ASiNR to transform from nonmagnetic semiconductor of the perfect ASiNR to ferromagnetic and antiferromagnetic metals, respectively. Furthermore, the magnetic moment of the ferromagnetic state increases for the perfect bare one edge and bare both edges successively for either ZSiNR or ASiNR.     

表面氢化的双层氮化硼的结构和电子性质

采用第一性原理方法研究了表面氢化的双层氮化硼的结构和电子性质.考虑了表面氢化的双层BN可能存在的六种主要构型,计算结果表明:AB-BN和AA-BN两种构型最为稳定.进一步分析了氢化后的双层BN最稳定构型的能带和电子性质.AB-BN和AA-BN两种构型的原子薄片均为直接带隙半导体,GGA计算的带隙值分别为1.47 eV和1.32 eV.因为GGA通常严重低估带隙值,采用hybrid泛函计算得到带隙值分别为2.52eV和2.34 eV.在最稳定的AB-BN和AA-BN两种构型中,B-N键呈现共价键,而B-H和N-H则具有明显的离子键的特点.在双轴应变下氢化双层BN原子薄片可以被连续地调节带隙,当晶格常数被压缩约8%时,原子薄片由半导体性转变为金属性.     

Tuning the electronic and magnetic properties of boron nitride nanotubes

Density Functional Theory is used to investigate the effect of altering the B/N ratio and carbon doping on the electronic and magnetic structure of zigzag, (7, 0) and armchair (5, 5) boron nitride nanotubes. The calculations indicate that increasing the boron content relative to the nitrogen content significantly reduces the band gap to a value typical of a semiconductor. Calculations of carbon doped semiconducting BN tubes, which have more boron atoms than nitrogen atoms have a net spin and a difference in the density of states at the valence band between the spin up and spin down state.     

Effect of layer sliding on the interfacial electronic properties of intercalated silicene/indium selenide van der Waals heterostructure

Methods capable of tuning the properties of van der Waals (vdW) layered materials in a controlled and reversible manner are highly desirable. Interfacial electronic properties of two-dimensional vdW heterostructure consisting of silicene and indium selenide (InSe) have been calculated using density functional theory-based computational code. Furthermore, in order to vary the aforementioned properties, silicene is slid over a InSe layer in the presence of Li intercalation. On intercalation of the heterostructure, the buckling parameter associated with the corrugation of silicene decreases from 0.44 Å to 0.36 Å, whereas the InSe structure remains unaffected. Potential energy scans reveal a significant increase in the sliding energy barrier for the case of intercalated heterostructure as compared with the unintercalated heterostructure. The sliding of the silicene encounters the maximum energy barrier of 0.14 eV. Anisotropic analysis shows the noteworthy differences between calculated in-plane and out-of-plane part of dielectric function. A variation of the planar average charge density difference, dipole charge transfer and dipole moment have been discussed to elucidate the usability spectrum of the heterostructure. The employed approach based on intercalation and layer sliding can be effectively utilized for obtaining next-generation multifunctional devices.     

Strain-tunable electronic and optical properties of h-BN/BC_3 heterostructure with enhanced electron mobility

By using first-principles calculation, we study the properties of h-BN/BC_3 heterostructure and the effects of external electric fields and strains on its electronic and optical properties. It is found that the semiconducting h-BN/BC_3 has good dynamical stability and ultrahigh stiffness, enhanced electron mobility, and well-preserved electronic band structure as the BC_3 monolayer. Meanwhile, its electronic band structure is slightly modified by an external electric field. In contrast,applying an external strain can mildly modulate the electronic band structure of h-BN/BC_3 and the optical property exhibits an apparent redshift under a compressive strain relative to the pristine one. These findings show that the h-BN/BC_3 hybrid can be designed as optoelectronic device with moderately strain-tunable electronic and optical properties.