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硅基原子层厚结构的计算研究

Muhammad Ali  
【摘要】:石墨烯、硅烯和锗烯等二维材料的发现引起了人们极大的研究兴趣,这主要是由于其优异的物理性质和广泛应用前景。其中,具有蜂窝状晶格结构的由单层硅原子构成的硅烯因其特殊的性质而成为近年来研究的热点。理论表明具有low-buckled结构的硅烯在电场调控电子结构和与传统的硅基工艺兼容等方面比平面结构的石墨烯更有优势。然而,本征硅烯的零带隙是阻碍其在器件领域应用的主要障碍。本论文在密度泛函理论(DFT)的框架下,研究了氧化、空位、纳米化和杂化结构对硅烯结构、电子和磁学性质的影响,为硅烯的电子结构和性能调控提供理论支持。本论文取得的主要成果如下:(1)研究了银(111)面上氧化的硅烯的形成能、结构和电子性质,考察氧化对银(111)面上硅烯性能的影响。结果表明,氧化会改变银(111)面上硅烯的蜂窝状晶格结构。由于氧化硅烯和银(111)面强烈的耦合作用使氧化硅烯具有金属特性的能带结构。氧化硅烯和银(111)表面之间的电荷积累表明两者形成了化学键和,这会显著影响氧化硅烯的的电子性质。当氧化硅烯从银(111)面上剥离时,它们有可能变成半导体。(2)系统研究了具有不同空位浓度硅烯的形成能、电子和磁学性质,并和石墨烯进行对比。研究发现,硅烯的磁矩随着其中空位浓度的增加而减小。此外,和具有空位的石墨烯相比,具有空位的low-buckled硅烯可能具有更加显著的带隙。随着空位的形成,硅烯会从半金属转变为半导体,而石墨烯会变成金属。(3)研究了不同尺寸氢钝化的黑磷量子点(BPQDs)和黑磷量子点/硅烯杂化结构的电子性质,结果表明黑磷量子点最高占据分子轨道(HOMO)和最低未占据分子轨道(LUMO)之间的带隙随着量子点尺寸的减小而增大,量子点稳定性却随着尺寸减小而减弱。黑磷量子点/硅烯杂化结构的吸附能和带隙随着量子点尺寸的增加而增大。硅烯上吸附P76H22量子点会使硅烯具有102 meV的禁带宽度。电荷转移分析表明电荷从硅烯转移到黑磷量子点,并且转移的电荷量与硅烯表面黑磷量子点的覆盖率有关。(4)研究了 Si6-xCx/C超晶格的电子性质。通过替换石墨烯中的碳原子构建不同硅碳比例的Si6-xCx/C超晶格。结果表明,Si6-xCx/C超晶格在狄拉克(Dirac)处具有直接带隙,其电荷的有效质量为0.016-0.646me。Si6-xCx/C超晶格的带隙强烈地依赖于六元环石墨烯中硅原子的数量和位置。通过PBE交换关联泛函和B3LYP杂化泛函计算得到Si3C3/C超晶格具有最大的带隙,分别为0.3和0.54 eV。对其进一步的研究表明,Si3C3/C超晶格在室温下的载流子迁移率高达1.2854x105cm2V-1s-,其声子热导率为15.48Wm-1K-1。结合传输系数和低声子热导率,通过微调Si3C3/C超晶格中的载流子浓度,可以优化其热点品质因数到1.95。


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