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《中国科学院大学(中国科学院物理研究所)》 2018年
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几种新材料的设计和预测

刘宁  
【摘要】:本文设计了几种结构的新化合物,并通过第一性原理计算对其物性进行了分析预测。主要包括具有类石墨烯结构的二维金,以X元素为中心N原子占据顶点位置的XN_4四面体和N-N键为基元构建的类金刚石结构的一系列新材料,主要研究结果如下:首先,我们通过第一性原理计算证明类石墨烯构型的二维金由于相对论效应及电子分布在热力学和动力学上较为稳定。该构型二维金展现出共价键的成键特点,能带结构为具有大约0.1 eV带隙的半导体。如果将其裁剪为具有扶手椅边缘构型的纳米条带,其带隙会进一步打开至0.3 eV。作为对比,单层密排面的二维金是金属性的。两种二维金相比石墨烯在可见光范围均有更高的透过率。它们在逻辑器件及透明导电材料方面具有潜在的应用价值。在实验上,我们通过BaAu_2去合金化的方法尝试制备类石墨烯构型的二维金,经过表征沉淀物为孔状金,悬浮物中存在六元环构型的原子排布图案,可能为类石墨烯二维金,该结果还有待进一步论证。其次,我们通过以Si原子为中心的SiN_4四面体和N=N双聚体为基元构建了类金刚石结构的SiN_4新化合物。N=N双键中的π*键提供高浓度的离域电子对该材料的导电性起着决定性的作用。计算结果表明构建的SiN_4在热力学和动力学上相对稳定。令人惊讶的是SiN_4具有类似单价金属的能带色散结构。它作为一种具有低密度(0.996 g/cm~3)高电导率(5.07×10~5 S/cm)高热导率(371 W/m?K)的孔状(7.4?)金属材料具有巨大的应用价值。具有相同结构的AlN_4同样是稳定的,而且具有类似SiN_4的能带结构。这些结果证明N=N双键可以作为提供高浓度离域电子的结构基元来构建新型导电材料。最后,我们将SiN_4结构中的Si原子替换为3d过渡金属原子,结果发现FeN_4,CoN_4,MnN_4的能带结构在一个自旋方向上为金属,另一个自旋方向为带隙大于2 eV的半导体,这说明它们均为半金属(half metal)材料。第一性原理计算表明它们在热力学和动力学上都很稳定。N-N键一方面提供载流子输运的桥梁,另一方面帮助它连接的近邻过渡金属原子实现铁磁性耦合。N原子和3d过渡金属原子构成的四面体使得3d金属电子轨道在晶体场的作用下发生劈裂,两者进一步杂化成键使得某个自旋方向上的能态劈裂为成键态和反成键态,进而打开带隙。它们的居里转变温度都远大于室温,表明它们作为半金属(half metal)材料在自旋电子学器件等方面具有实际应用价值。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TB30

【参考文献】
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【共引文献】
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【二级参考文献】
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