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文檔簡介
1、ZnO納米材料因為其豐富的結(jié)構(gòu)形貌,以及其優(yōu)異的物理化學性能,在實驗和理論方面都引起了人們的廣泛關(guān)注。其中一維ZnO納米結(jié)構(gòu)因其存在顯著的量子限制效應(yīng)與表面效應(yīng),以及在構(gòu)建新一代電子和光電器件中的巨大潛在應(yīng)用,迅速成為人們研究的重點。本文采用基于密度泛函的第一性原理方法系統(tǒng)研究了化學摻雜或施加外電場對一維ZnO納米結(jié)構(gòu)的原子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和磁學性質(zhì)的調(diào)控作用,為實現(xiàn)一維ZnO納米材料在納米電子和光電領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要的理論指導(dǎo)。同時,
2、我們還拓展研究了電場和外力場對MoS2納米管的帶隙調(diào)控。主要的研究內(nèi)容歸納如下:
利用密度泛函理論,我們系統(tǒng)研究了單個C原子取代一個O原子的鋸齒型ZnO納米帶的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、能帶結(jié)構(gòu)和d0磁性。我們發(fā)現(xiàn)摻雜C原子的形成能強烈依賴于C原子的位置:對于H鈍化的ZnO納米帶,C原子更易于摻雜在靠近O終結(jié)邊的位置;而對于未鈍化ZnO納米帶,C更容易替代靠近Zn終結(jié)邊位置的O原子。我們根據(jù)鋸齒型ZnO納米帶沿帶寬方向具有的極性特點,提出了
3、簡單的電容器模型,對上述現(xiàn)象進行了定性解釋。同時研究表明C摻雜的ZnO納米帶可以表現(xiàn)出d0磁性,磁矩主要集中在C原子上,并且在不同的摻雜位置,C原子表現(xiàn)出不同的磁矩,這主要是因為在不同摻雜位置處C-Zn鍵的平均鍵長不同,由此引起C原子成鍵性質(zhì)不同而導(dǎo)致的。另外我們也發(fā)現(xiàn)C摻雜位置不同的ZnO納米帶也表現(xiàn)出不同的電子結(jié)構(gòu)特性,甚至可以實現(xiàn)半導(dǎo)體-半金屬-金屬的轉(zhuǎn)變??烧{(diào)的電子結(jié)構(gòu)和磁學特性使C摻雜的ZnO納米帶在自旋電子器件方面表現(xiàn)出重要
4、的潛在應(yīng)用價值。
我們利用密度泛函理論系統(tǒng)研究了在橫向電場作用下單壁ZnO納米管的結(jié)構(gòu)特點和電子特性。在橫向電場作用下,ZnO納米管沿電場方向由圓形形變?yōu)闄E圓形。我們發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)形變主要是由于電場的作用使不同位置處鍵長改變不同,進而使鍵角發(fā)生變化而引起的。管徑的縱橫比強烈依賴于管徑和橫向電場強度的大小,而對納米管的手性并不敏感。ZnO納米管的帶隙隨著電場的增加而單調(diào)的減小,帶隙的變化隨管徑的增大而增大,而帶隙的變化不依賴于納米管的
5、手性。我們得出了ZnO納米管的帶隙隨電場變化的函數(shù)關(guān)系式。同時我們也發(fā)現(xiàn)徑向形變和電場的耦合效應(yīng)減弱了帶隙的減小。這些研究對于理解ZnO納米管的力電耦合效應(yīng)以及其在光電器件方面的潛在應(yīng)用都有重要的意義。
我們利用密度泛函理論系統(tǒng)研究了橫向電場對各種ZnO納米線和面心納米管的電子結(jié)構(gòu)的影響。研究表明ZnO納米線和面心納米管的帶隙隨著電場的增加單調(diào)的減小,并且?guī)兜淖兓孰S納米線的直徑和納米管的管徑的增加,以及納米管壁厚的減小而增
6、大,尤其是電場強度足夠強時,甚至可以實現(xiàn)半導(dǎo)體到金屬的轉(zhuǎn)變。ZnO納米結(jié)構(gòu)的帶隙隨電場的變化和電偶極矩隨電場的變化是一致的,同時我們也可以從電場作用下不同勢能區(qū)電子能級發(fā)生傾斜的角度來理解帶隙的減小。而且我們也發(fā)現(xiàn)ZnO納米線和納米管的電子和空穴有效質(zhì)量可以通過電場進行有效的調(diào)控。這些研究為設(shè)計和發(fā)展基于ZnO納米結(jié)構(gòu)的微電子和光電器件提供了重要的指導(dǎo)作用。
我們利用密度泛函理論系統(tǒng)研究了橫向電場對MoS2納米管的形貌和電子性
7、質(zhì)的影響,以及在外部應(yīng)力作用下MoS2納米管的帶隙變化。研究表明在橫向電場的作用下,不同手性的納米管的帶隙隨電場強度的增加單調(diào)的減小,最終發(fā)生半導(dǎo)體到金屬的轉(zhuǎn)變;在橫向電場的作用下,不同手性納米管的橫截面由圓形形變?yōu)闄E圓形,其縱橫比的大小依賴于納米管的管徑和電場強度;同時我們也發(fā)現(xiàn)電場誘導(dǎo)的徑向形變加強了電場導(dǎo)致的帶隙的減小。在徑向壓縮的情況下,不同手性的納米管的帶隙變化很小。在軸向拉伸情況下,鋸齒型和扶手椅型納米管的帶隙均表現(xiàn)為線性的
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