新型碳-硅基納米材料光電性能與應(yīng)用的理論模擬與計算.pdf

1、碳基和硅基的低維納米材料通常都表現(xiàn)出優(yōu)異的光電性質(zhì)，在現(xiàn)代高新科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。通過不同類型材料的復(fù)合、碳硅原子的化合（合金化）或已有材料的異構(gòu)化而來的新型碳/硅基納米材料可以表現(xiàn)出比已有的材料更為優(yōu)越的物理化學(xué)性質(zhì)，在光電和化學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。本文采用多種理論計算手段，對一些近年來新合成或新預(yù)測的低維碳/硅基納米材料的光電性質(zhì)和潛在應(yīng)用進行了深入的理論模擬和計算。研究對象涵蓋零維、一維和二維的碳/硅基納米材料，并從

2、新材料設(shè)計的角度對整個工作進行了總結(jié)。
　　本研究分為八個部分：第一章低維碳/硅基納米材料的研究現(xiàn)狀介紹，分別從碳基納米材料，硅基納米材料，以及碳硅復(fù)合納米材料三個方面對已有的低維碳/硅基納米材料的種類、物理性質(zhì)和應(yīng)用進行了歸納，并重點介紹了一些近年來新合成或預(yù)測的碳/硅基納米材料（如核殼納米結(jié)構(gòu)、硅化石墨烯和納米石墨烯）。第二章介紹了密度泛函理論（DFT）和密度泛函緊束縛方法（DFTB）的理論基礎(chǔ)和相關(guān)的計算軟件，同時也對分子動

3、力學(xué)和分子力學(xué)等理論計算方法進行了簡要介紹。第三章和第四章對兩類已被實驗合成且被廣泛用于光電領(lǐng)域的核殼納米結(jié)構(gòu) Si/SiO2核殼硅量子點和硅-碳二元核殼納米線的光電性質(zhì)調(diào)控研究。我們的計算結(jié)果表明核殼量子點或核殼納米線的光電性質(zhì)隨核殼材料的比例變化會產(chǎn)生“弓形效應(yīng)”而非線性變化。弓形效應(yīng)的存在表明核殼納米結(jié)構(gòu)的電子結(jié)構(gòu)總是由多種競爭性因素所決定的。第五章和第六章是對兩種半導(dǎo)體型硅化石墨烯g-SiC2和g-SiC7在能源和光電領(lǐng)域的潛在

4、應(yīng)用的模擬研究。其中g(shù)-SiC2硅化石墨烯以其獨特的硅碳交替排列晶格結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了對氧氣分子的良好吸附能力，在堿性環(huán)境下可以用作高效的氧還原反應(yīng)（ORR）催化劑。而g-SiC7硅化石墨烯有著適中的能帶帶隙（1.13 eV）和對太陽光的優(yōu)異的光吸收能力，有望被用作下一代柔性光電器件（如太陽能電池）中的給體材料。第七章系統(tǒng)研究了新型的納米石墨烯 TB8C及其衍生物在金屬原子吸附方面的潛在應(yīng)用價值。計算結(jié)果表明TB8C納米石墨烯的弧線形結(jié)構(gòu)使得