幾種一維無(wú)機(jī)納米結(jié)構(gòu)的光電性質(zhì).pdf

1、納米科技已逐漸成為當(dāng)今基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的前沿研究領(lǐng)域之一。一維無(wú)機(jī)納米材料具備優(yōu)異的電、光、磁學(xué)性能,可作為新一代電子器件的基本構(gòu)成元件,受到了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。遴選具有特定光電性能的納米材料來(lái)組裝性能優(yōu)良的微納米電子器件已成為納米科技發(fā)展的重要方向。本文以幾種特定的一維無(wú)機(jī)納米材料為對(duì)象,利用第一原理方法計(jì)算研究了其光電性質(zhì)和物質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系,并通過(guò)共摻雜等手段來(lái)調(diào)節(jié)控制電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)使其能具備我們所需要的性質(zhì)。論文安排如下:<

2、br>　　 第一章闡述了一維無(wú)機(jī)納米材料的有關(guān)背景,分析了一維無(wú)機(jī)納米材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和有關(guān)性質(zhì)。
　　 第二章研究了氧化鋅、硒化鋅單壁納米管的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。發(fā)現(xiàn)氧化鋅、硒化鋅的卷曲能比已被實(shí)驗(yàn)證實(shí)穩(wěn)定存在的碳納米管、氮化硼納米管的卷曲能要低,這說(shuō)明了氧化鋅、硒化鋅單壁納米管在一定的實(shí)驗(yàn)條件下是可以存在的。氧化鋅、硒化鋅納米管顯示出和碳納米管、氮化硼納米管不一樣的特點(diǎn)。氧化鋅、硒化鋅納米管都是直接帶隙的半導(dǎo)體,

3、而且這種帶隙不會(huì)隨管徑和螺旋度的變化而變化。不同管徑和螺旋度的氧化鋅、硒化鋅納米管也具有相似的光學(xué)性質(zhì)。這種不隨管徑和螺旋度變化的光電性質(zhì)可以克服需要制備特定螺旋度納米管的困難,可更方便的應(yīng)用于納米器件。
　　 在第三章中,我們探討了形變和摻雜對(duì)一維碳納米材料性質(zhì)的調(diào)制作用。分析了形變對(duì)有限長(zhǎng)碳納米管和石墨烯納米帶的鋸齒型邊界的電磁性質(zhì)的調(diào)制作用。發(fā)現(xiàn)有懸掛鍵的鋸齒型邊界的磁矩會(huì)隨卷曲的增大而減小:卷曲度θπ-σ<110°時(shí)磁矩

4、為1μB；卷曲度θπ-σ>110°時(shí)磁矩為0.5μB左右。同時(shí),當(dāng)卷曲度由度θπ-σ<110°過(guò)渡到度θπ-σ>110°時(shí),兩邊界之間的耦合方式由鐵磁性耦合轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F磁性耦合。
　　 討論了共摻雜對(duì)雙壁碳納米管的光電性質(zhì)的調(diào)制。沒(méi)有摻雜的雙壁碳納米管的電子結(jié)構(gòu)中,最高價(jià)帶屬于外管而最低導(dǎo)帶屬于內(nèi)管。當(dāng)施主雜質(zhì)(K原子)吸附于外管壁上,受主雜質(zhì)(NO2)吸附于內(nèi)管中時(shí),此時(shí)的電子結(jié)構(gòu)最高價(jià)帶屬于內(nèi)管而最低導(dǎo)帶屬于外管。沒(méi)有摻雜的雙

5、壁管價(jià)帶頂?shù)綄?dǎo)帶底的躍遷是禁戒的,摻雜后的納米管可以使這種躍遷實(shí)現(xiàn)。而這種躍遷會(huì)直接引起電子空穴的分離,導(dǎo)致光生伏特效應(yīng)。另外,施主和受主之間的電場(chǎng)會(huì)阻止電子空穴對(duì)的復(fù)合,從而提高了光電轉(zhuǎn)換的效率。
　　 在第四章中,我們研究了氧化鋅納米線的尺寸效應(yīng)和應(yīng)變效應(yīng)對(duì)光電性質(zhì)的影響。當(dāng)直徑相同時(shí),不管是納米管還是納米線,一維氧化鋅納米結(jié)構(gòu)都是直接帶隙半導(dǎo)體,而且具有相似的電子結(jié)構(gòu)。光學(xué)性質(zhì)計(jì)算中也發(fā)現(xiàn)直徑相同的一維氧化鋅納米結(jié)構(gòu)具有相

6、似的光學(xué)性質(zhì),說(shuō)明一維氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的光電性質(zhì)和直徑密切相關(guān),對(duì)表面形狀的依賴性不大。當(dāng)直徑增大時(shí),氧化鋅納米線的帶隙會(huì)逐漸降低,最后趨近于塊體氧化鋅的帶隙。應(yīng)變效應(yīng)對(duì)氧化鋅納米線的光電性質(zhì)影響明顯。各種直徑的納米線的帶隙都隨應(yīng)變的增大而近似線性的降低,但是小直徑的納米線的線性曲線中出現(xiàn)了拐點(diǎn),這是因?yàn)楦鲀r(jià)帶隨應(yīng)變的變化不一樣導(dǎo)致的。另外,我們發(fā)現(xiàn)不同直徑納米線的光學(xué)性質(zhì)對(duì)應(yīng)變的依賴性會(huì)有所不同。對(duì)于極化平行于軸向方向時(shí),小直徑的納米線

7、介電函數(shù)的峰位隨應(yīng)變的增大出現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象,而較大直徑納米線譜線的兩個(gè)主峰的位置不隨應(yīng)變變化。對(duì)于極化方向垂直于軸向方向時(shí),較小直徑的第一個(gè)峰不隨應(yīng)變變化,其它峰位都隨應(yīng)變的增大出現(xiàn)紅移現(xiàn)象。
　　 第五章,計(jì)算了石墨烯的一維衍生結(jié)構(gòu)--石墨烯納米帶和石墨烷納米帶--的光電性質(zhì)。按邊界形狀的不同,可分為鋸齒型納米帶和扶手椅型納米。在鋸齒型石墨烯納米帶能帶結(jié)構(gòu)中,π和π*能帶在一定的波矢范圍內(nèi)簡(jiǎn)并于費(fèi)米能,納米帶的寬度不同簡(jiǎn)并的波矢范

8、圍有所不同。扶手椅型石墨烯納米帶是半導(dǎo)體,帶隙隨帶寬的增大而振蕩地減小。在光學(xué)性質(zhì)方面,鋸齒型石墨烯納米帶在極化方向平行于納米帶平面時(shí),隨著納米帶寬度的增加吸收峰存在著紅移現(xiàn)象,而極化方向垂直于納米帶平面的光學(xué)性質(zhì)不隨帶寬的變化而變化。對(duì)于扶手椅型石墨烯納米帶,平行極化方向時(shí),光學(xué)性質(zhì)隨寬度的變化可分為三種類(lèi)型；極化方向垂直于納米帶時(shí),而不同寬度納米帶的光吸收峰的位置則較為相近。
　　 對(duì)于石墨烷納米帶,各種納米帶結(jié)構(gòu)中碳原子是

9、sp3雜化,和納米帶的邊界形狀無(wú)關(guān),表現(xiàn)出和金剛石相似的光電性質(zhì)。鋸齒型和扶手椅型的石墨烷納米帶都是直接帶隙半導(dǎo)體,隨帶寬的增大會(huì)逐漸降低最終和金剛石的帶隙一致。各種石墨烷納米帶的光學(xué)性質(zhì)都和石墨烷的光學(xué)性質(zhì)相似。當(dāng)極化方向垂直于納米帶平面時(shí),各納米帶介電函數(shù)譜線在7eV和13eV附近有兩個(gè)吸收峰。當(dāng)極化方向平行于納米帶平面時(shí),各納米帶介電函數(shù)譜線在12eV有一主峰。石墨烷納米帶和石墨烯納米帶不一樣,它的光電性質(zhì)都和石墨烷相似,和納米帶