金屬表面半導(dǎo)體和半金屬薄膜的第一性原理研究.pdf

1、本論文的方向是通過(guò)密度泛函理論研究過(guò)渡金屬表面各種新材料的物理化學(xué)性質(zhì)。近年來(lái)相關(guān)理論和數(shù)值算法的飛速發(fā)展,使得基于密度泛函理論的第一性原理方法成為凝聚態(tài)物理、量子化學(xué)和材料科學(xué)中的常規(guī)計(jì)算研究手段。本論文對(duì)二維新型材料(從有機(jī)半導(dǎo)體、無(wú)機(jī)半導(dǎo)體到新近發(fā)現(xiàn)的半金屬graphene)進(jìn)行了第一性原理研究,研究涉及的材料物性包括幾何構(gòu)型、電子結(jié)構(gòu)等方面。
　　 第一章簡(jiǎn)要介紹了密度泛函理論的基本框架和近年來(lái)的理論發(fā)展。密度泛函理論的

2、發(fā)展以尋找合適的交換相關(guān)能量泛函為主線。從最初的局域密度近似(LDA)、廣義梯度近似(GGA)到現(xiàn)在的非局域泛函、自相互作用修正,多種泛函形式的相繼出現(xiàn)使得密度泛函理論可以提供越來(lái)越精確的計(jì)算結(jié)果。除了改進(jìn)交換相關(guān)泛函,近年來(lái)密度泛函理論向動(dòng)力學(xué)平均場(chǎng)和含時(shí)理論等方面的擴(kuò)展也很活躍。這些擴(kuò)展使得密度泛函理論的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。在本章的最后,我們介紹了一些密度泛函理論的應(yīng)用實(shí)例以展示其廣泛的用途。
　　 第二章所關(guān)注的是密度泛函理

3、論的數(shù)值計(jì)算方法。應(yīng)用密度泛函理論進(jìn)行具體的數(shù)值計(jì)算,首先要將解析的理論離散化?；诓煌碾x散方案,各種數(shù)值計(jì)算方法迅速發(fā)展。從古老的有限差分、有限元到新興的小波分析都被用來(lái)實(shí)現(xiàn)密度泛函理論的數(shù)值計(jì)算。與此同時(shí),線性標(biāo)度算法的日趨成熟,使得通過(guò)密度泛函理論研究諸如生物大分子之類的體系成為可能。另一方面,正是由于數(shù)值計(jì)算方法的飛速發(fā)展,我們很難選擇一種最完美的算法。不同的出發(fā)點(diǎn)將導(dǎo)致不同的選擇。本章第三部分簡(jiǎn)單介紹了一種基于平面波的電子結(jié)

4、構(gòu)計(jì)算方法及其程序?qū)崿F(xiàn)方案。在發(fā)展方法和編制程序的同時(shí),人們也常常使用一些已有的軟件包進(jìn)行材料物性研究。在本章的最后,我們簡(jiǎn)要介紹了一些常用的密度泛函模擬計(jì)算軟件包。
　　 從第三章開(kāi)始,我們把目光轉(zhuǎn)向?qū)嶋H材料的物性研究。第三章主要研究了傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)半導(dǎo)體鍺在過(guò)渡金屬Ru(0001)表面的吸附行為。這類系統(tǒng)牽涉到很多基礎(chǔ)問(wèn)題,比如吸附結(jié)構(gòu),生長(zhǎng)機(jī)制,表面電子結(jié)構(gòu)以及表面合金化合物的形成等。對(duì)這些吸附形貌,生長(zhǎng)機(jī)制等問(wèn)題的理解將有助

5、于這類系統(tǒng)在催化或電子器件方面的應(yīng)用。最近報(bào)道的掃描隧道顯微鏡(STM)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:在亞單層覆蓋度下,Ge在Ru(0001)表面會(huì)形成(√21×√21)R10.9°的超結(jié)構(gòu)。通過(guò)第一性原理計(jì)算得到Ge在Ru(0001)表面的吸附能隨覆蓋度的變化,從中發(fā)現(xiàn)(√21×√21)R10.9°-3Ge的模型相對(duì)來(lái)說(shuō)比較穩(wěn)定。模擬得到的STM和掃描隧道譜(STS)圖像和實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠很好符合。
　　 第四章研究了一種新型有機(jī)半導(dǎo)體材料并四苯

6、(tetracene)在.Ru(10(1)0)表面的吸附結(jié)構(gòu)及其電子結(jié)構(gòu)變化情況。并四苯具有很高的載流子遷移速率和良好的發(fā)光特性,且具有很高的對(duì)稱性。對(duì)該系統(tǒng)的研究有助于深入認(rèn)識(shí)有機(jī)半導(dǎo)體在金屬表面的生長(zhǎng)行為和相關(guān)電子性質(zhì)。通過(guò)STM實(shí)驗(yàn)和DFT計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)并四苯的長(zhǎng)軸沿著平行與垂直Ru(10(1)0)單晶襯底的[1(2)10]晶向各有一個(gè)穩(wěn)定吸附位置,且能量差別很小,分子的吸附位置也不在襯底高對(duì)稱位置。通過(guò)對(duì)其電子結(jié)構(gòu)的分析,對(duì)并四苯

7、分子在過(guò)渡金屬表面的吸附及生長(zhǎng)行為有了更深入的理解。理論計(jì)算的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)符合的非常好。
　　 前面兩章涉及的都是不同類型的半導(dǎo)體材料,在第五章中我們研究了最近剛剛發(fā)現(xiàn)的一種二維半金屬材料graphene。物理學(xué)家認(rèn)為,熱力學(xué)漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以,它的發(fā)現(xiàn)立即震撼了凝聚態(tài)物理界,這一二維結(jié)構(gòu)的存在可能歸結(jié)于graphene在納米級(jí)別上的微觀扭曲。graphene的電子結(jié)構(gòu)中最有趣的一點(diǎn)是其低能激發(fā)態(tài)的電子的

8、靜質(zhì)量為零,屬于Dirac費(fèi)米子。在純粹的graphene中,化學(xué)勢(shì)恰好穿過(guò)Dirac點(diǎn)。這一僅在低能情況下存在的特殊色散關(guān)系正好模擬了量子電動(dòng)力學(xué)中無(wú)靜質(zhì)量費(fèi)米子的情況,區(qū)別只在于graphene中的Dirac費(fèi)米子的費(fèi)米速度比真正的光速慢了300倍。因此很多反常的量子電動(dòng)力學(xué)效應(yīng)都能在graphene中被觀察到。在傳統(tǒng)的半導(dǎo)體中不同的載流子類型是通過(guò)離子注入或摻雜來(lái)實(shí)現(xiàn)的,而graphene的載流子類型和濃度卻可以通過(guò)外電場(chǎng)進(jìn)行方便

9、的調(diào)節(jié)。正是因?yàn)橛羞@些優(yōu)點(diǎn),基于Graphene的電子器件將能在一個(gè)原子層的厚度內(nèi)實(shí)現(xiàn)由電子和空穴區(qū)域構(gòu)成的PN結(jié),并且其極性可以由外電場(chǎng)控制。graphene中極高的電子遷移率也能保證了其響應(yīng)速度。對(duì)這一新材料的性質(zhì)的理解和控制打開(kāi)了制作新一代電子器件大門。我們利用第一性原理計(jì)算方法對(duì)在Cu(111)表面通過(guò)hBN緩沖層生長(zhǎng)的graphene層進(jìn)行了研究。電子透過(guò)BN層從Cu襯底轉(zhuǎn)移到graphene上導(dǎo)致graphene具有n型半導(dǎo)