二維納米材料的理論設計與性能調(diào)控.pdf

1、納米材料即幾何尺寸介于1nm-100nm之間，尺寸效應和大的表面效應使材料具有某些特性的新材料，并在物理，化學及材料科學方面的研究取得了非常大的進展。納米材料的應用遍及各個領(lǐng)域，包括納米磁性材料、納米半導體材料、納米催化材料、醫(yī)療上的應用、環(huán)境保護和機械工業(yè)等?；诩{米材料的納米科技必將對當今世界的經(jīng)濟發(fā)展和社會進步產(chǎn)生重要的影響。因此，對納米材料的科學研究具有非常重要的意義。
　　具有單原子厚度的二維(2D)單層材料，如石墨烯，

2、氮化硼，硅烯，和它們的體相相比，由于其具有獨特的性質(zhì)而引起了人們極大的興趣。2007年，實驗上，Tushce等人已經(jīng)在Ag(111)表面成功合成了兩個單層厚度的去極化的ZnO(0001)薄膜，其中Zn和O原子像六角氮化硼(h-BN)單層那樣排列在平面內(nèi)，成為新的納米研究材料之一。近來，另一類具有三原子層厚度的二維材料，即過渡金屬二硫族化合物，如二硫化鉬和二硫化鎢，引起了廣泛的關(guān)注，不僅因為其獨特的電子和催化性能，還由于其較寬范圍內(nèi)通過應

3、變或垂直電場對其能帶工程的可調(diào)性。
　　對于納米材料的研究，基于密度泛函理論的第一性原理計算已經(jīng)成為一種不可或缺的研究手段。在本論文中，我們主要利用第一性原理計算的方法，研究二維納米材料的電子結(jié)構(gòu)和磁性，并通過應力和外電場實現(xiàn)了對二維材料帶隙的調(diào)制。
　　第一章介紹了密度泛函理論的發(fā)展歷程。首先簡單介紹了量子化學常用的Bom-Oppenheimer近似方法，然后敘述了Hatree-Fock方程，Hohenberg-Kohn定

4、理，Kohn-Sham方程以及密度泛函理論最核心的交換相關(guān)能量泛函。最后我們介紹了基于密度泛函理論的幾個常用的計算軟件包。
　　第二章首先簡單介紹了氧化鋅(ZnO)單層材料的結(jié)構(gòu)特點、性質(zhì)及其主要應用，然后根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點分別用非金屬元素(B，C，N)進行摻雜，并用第一性原理計算的方法對其電子和磁性性質(zhì)進行系統(tǒng)的研究。緊接著，我們又研究了化學修飾對氧化鋅多層的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)的影響。我們還分別考慮了氧化鋅層與層之間的堆疊方式對電子結(jié)構(gòu)

5、的影響，包括AB和AA堆疊。
　　在第三章中，我們主要利用第一性原理計算來研究過渡金屬二硫族化合物單層及其范德瓦爾斯(vdW)異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)，并研究了電場和應力對其帶隙的調(diào)控，其中研究對象包括前過渡金屬二硫族化合物單層，基于二硫化鉬(MoS2)的范德瓦爾斯異質(zhì)雙層，三層和超晶格。
　　第四章主要運用第一性原理研究了一維黑磷條帶(PNRs)，納米管(SW-PNTS)，多層磷烯，和2D MoS2或WS2和磷烯異質(zhì)雙層的幾何