納米及表面吸附體系的第一性原理研究.pdf

1、近年來，納米和表面體系方面的研究取得了非常大的進(jìn)展，這些進(jìn)展不僅豐富了傳統(tǒng)的凝聚態(tài)物理、量子化學(xué)、新型功能材料等學(xué)科領(lǐng)域的研究內(nèi)容，也對信息技術(shù)、潔凈能源、環(huán)境科學(xué)等多個(gè)方面產(chǎn)生了影響。另一方面，隨著研亢體系復(fù)雜性的日益增加，以及納米體系不可忽視的量子效應(yīng)，第一性原理計(jì)算已經(jīng)成為不可或缺的研究手段。在這些前沿領(lǐng)域的研究中，理論計(jì)算不僅用來解釋觀測到的現(xiàn)象，揭示其背后的物理本質(zhì)，還可以用來指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)方面的研究，甚至可以通過搭建合適的模型，進(jìn)

2、行理想實(shí)驗(yàn)。
　　 本論文主要論述了三個(gè)方面的工作：利用密度泛函理論研究了邊界化學(xué)修飾對扶手椅(armchair)型石墨烯納米條帶電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響；利用非平衡格林函數(shù)技術(shù)結(jié)合密度泛函理論的方法研究了石墨烯納米條帶體系的電子輸運(yùn)性質(zhì)，從理論上設(shè)計(jì)了兩種納米器件；發(fā)展了基于第一性原理計(jì)算的表面吸附體系非彈性電子隧穿譜的計(jì)算方法，并討論了在幾個(gè)實(shí)際體系中的具體應(yīng)用。
　　 論文起始，第一章簡要介紹了第一性原理電子結(jié)構(gòu)計(jì)算的理

3、論框架和目前研究中常用的近似與方法。自從量子理論誕生，人們就開始了應(yīng)用量子理論描述實(shí)際體系的征途。而整個(gè)電子結(jié)構(gòu)理論，就是人們在用量子力學(xué)的基本原理描述真實(shí)體系的過程中得到的一種既可以負(fù)擔(dān)得起，又具有可接受的近似程度的方法體系。在這一章中，我們遵循著近似程度由低到高的脈絡(luò)，首先簡單介紹了目前電子結(jié)構(gòu)計(jì)算中經(jīng)常用到的三個(gè)基本近似，分別為：非相對論近似、玻恩-奧本海默近似和獨(dú)立電子近似；然后在此基礎(chǔ)上，敘述了Hartree-Fock近似方法

4、和自治場方法，這是現(xiàn)階段電子結(jié)構(gòu)計(jì)算的基石；隨后，簡要敘述了在研究中廣泛應(yīng)用的密度泛函理論，以及采用非平衡格林函數(shù)技術(shù)和密度泛函理論相結(jié)合的計(jì)算電子輸運(yùn)性質(zhì)的方法；最后，簡單介紹了本論文涉及到的工作中用到的幾個(gè)軟件包。
　　 納米科學(xué)和表面科學(xué)作為新興的交叉學(xué)科展現(xiàn)出了蓬勃的生機(jī)，在第二章中，我們簡要敘述了近年來該領(lǐng)域的研究進(jìn)展和現(xiàn)狀。首先，從實(shí)驗(yàn)技術(shù)來看，掃描探針技術(shù)的發(fā)展，不僅使人們的目光達(dá)到化學(xué)極限，更重要的是作為一種實(shí)驗(yàn)

5、手段，可以搭建、操控各種微觀實(shí)驗(yàn)體系，甚至可以操控化學(xué)反應(yīng)；近年來發(fā)展的分子結(jié)技術(shù)也是一個(gè)巨大的進(jìn)步，使得人們可以對單個(gè)原子、分子量級的體系進(jìn)行電子輸運(yùn)性質(zhì)的測量，對下一代微電子電路的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。在新型的實(shí)驗(yàn)體系方面，石墨烯引發(fā)了當(dāng)前的研究熱潮，無論是從其基本物理性質(zhì)還是在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的潛在應(yīng)用來看，石墨烯都是一種令人激動(dòng)的材料：表面吸附體系則是一個(gè)相對傳統(tǒng)的研究范疇，但由于其在異相催化、晶體外延生長、生命科學(xué)以及分子電子學(xué)等領(lǐng)域

6、都具有重要的應(yīng)用，仍存在許多問題亟待解決。
　　 石墨烯相關(guān)材料的一個(gè)非常有吸引力的應(yīng)用是作為下一代微電子器件。石墨烯納米條帶，作為一種石墨烯的衍生材料，其物理性質(zhì)受邊界手性、寬度、及化學(xué)環(huán)境等很多因素的影響，邊界碳原子被氫飽和的扶手椅型石墨烯納米帶(AGNR)均為半導(dǎo)體。在第三章中，我們用各種不同原子或者基團(tuán)對AGNR邊界碳原子進(jìn)行化學(xué)修飾，發(fā)現(xiàn)不僅可以改變AGNR體系的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)，比如改變帶隙、引起半導(dǎo)體-金屬轉(zhuǎn)變等，邊界

7、化學(xué)修飾還可以改變AGNR體系帶隙隨寬度的變化規(guī)律。此外由于AGNR體系一個(gè)可能的重要應(yīng)用就是分子器件，我們研究發(fā)現(xiàn)用常見的錨接基團(tuán)NO2和NH2對AGNR進(jìn)行邊界化學(xué)修飾時(shí)，體系的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)變化不大，這就意味著可以比較容易地將具有特殊電子性質(zhì)的AGNR單元模塊化組裝于分子電路中。
　　 分子電子學(xué)的研究主要有兩個(gè)方面，一是通過實(shí)驗(yàn)或者理論的方法，研究分子或納米體系的電子輸運(yùn)性質(zhì)，以期找到具有特定電子學(xué)功能的器件，比如分子整流

8、器件、分子開關(guān)、量子點(diǎn)、負(fù)微分電阻器件等；此外便是利用體系的電子輸運(yùn)性質(zhì)，通過某些手段得到體系其他性質(zhì)，比如化學(xué)識別。在第四章中，我們在理論上設(shè)計(jì)了基于石墨烯納米帶的量子點(diǎn)器件和負(fù)微分電阻器件，這兩種納米器件都具有良好的穩(wěn)定性，有望在實(shí)際中應(yīng)用。
　　 在第五章中，給出了基于第一性原理電子結(jié)構(gòu)計(jì)算進(jìn)行表面吸附體系非彈性電子隧穿譜的模擬方法。我們采用Tersoff-Hamann近似和有限差分方法，實(shí)現(xiàn)了STM實(shí)驗(yàn)體系中非彈性電子隧