新型碳-硅基納米材料光電性能與應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)代高新科技領域中有著廣泛的應用。通過不同類型材料的復合、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)越的物理化學性質(zhì)，在光電和化學領域展現(xiàn)出了巨大的應用潛力。本文采用多種理論計算手段，對一些近年來新合成或新預測的低維碳/硅基納米材料的光電性質(zhì)和潛在應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)和應用進行了歸納，并重點介紹了一些近年來新合成或預測的碳/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）的理論基礎和相關的計算軟件，同時也對分子動

3、力學和分子力學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”而非線性變化。弓形效應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體型硅化石墨烯g-SiC2和g-SiC7在能源和光電領域的潛在

4、應用的模擬研究。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（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