基于Ⅳ族二維結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)及量子性質(zhì)調(diào)控.pdf

1、自石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，二維Ⅳ族材料的研究取得了飛躍式的進(jìn)步，特別是超高的載流子傳輸速率使其在自旋電子材料中具有廣泛應(yīng)用，同時(shí)石墨烯的發(fā)現(xiàn)也推動(dòng)了拓?fù)浣^緣體的發(fā)展。本文主要通過(guò)密度泛函理論的第一性原理的方法，研究了Ⅳ主族二維材料的電子特性及其量子自旋霍爾效應(yīng)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴研究了硅烯在單層Sc2CF2襯底上生長(zhǎng)的納米異質(zhì)結(jié)的幾何及電子特性。研究發(fā)現(xiàn)，硅烯與Sc2CF2薄膜是通過(guò)范德瓦爾斯相互作用形成的異質(zhì)結(jié)，在該異質(zhì)結(jié)中

2、，硅烯打開了一個(gè)36-48meV的較大的帶隙，并且還保留了其優(yōu)良的線性狄拉克錐。此外，我們還通過(guò)計(jì)算應(yīng)力以及層間距等因素對(duì)該異質(zhì)結(jié)電子性質(zhì)的影響發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)范圍內(nèi)，硅烯的帶隙仍然保持著良好的線性狄拉克錐的特點(diǎn)。由此我們發(fā)現(xiàn)該異質(zhì)結(jié)可以作為一個(gè)能夠在室溫下實(shí)現(xiàn)的，具有較高載流子遷移率的場(chǎng)效應(yīng)晶體管的良好材料。⑵研究了Ⅳ族元素的錫烯薄膜，基于第一性原理我們計(jì)算了甲基吸附的錫烯(SnCH3),通過(guò)計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)SnCH3的基態(tài)結(jié)構(gòu)是一個(gè)拓

3、撲平庸態(tài)，并不存在一對(duì)零能耗的導(dǎo)電通道，但是通過(guò)對(duì)SnCH3施加雙軸應(yīng)力之后，我們通過(guò)計(jì)算邊緣態(tài)以及拓?fù)洳蛔兞縕2之后，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了一個(gè)拓?fù)淦接箲B(tài)到拓?fù)浞瞧接箲B(tài)的轉(zhuǎn)變。此外，當(dāng)我們進(jìn)一步研究了SnCH3薄膜在BN襯底上生長(zhǎng)的特性，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)其仍然保持了神奇的量子自旋霍爾絕緣體的性質(zhì)。這將為拓?fù)浣^緣體在實(shí)驗(yàn)上更好的制備提供一個(gè)良好的備選材料。⑶利用密度泛函理論提出了鉛烯這個(gè)六角蜂窩狀的類石墨烯結(jié)構(gòu)，并且通過(guò)用氫原子以及鹵素原子對(duì)鉛烯

4、進(jìn)行雙面修飾，我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)帶隙可以達(dá)到1.34eV的寬帶隙拓?fù)浣^緣體PbX(X=H，F(xiàn)，C1，Br，I)，并且通過(guò)對(duì)面內(nèi)雙軸應(yīng)力的調(diào)控我們發(fā)現(xiàn)，該材料對(duì)于在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)仍然保持了良好的量子自旋效應(yīng)。同時(shí)，我們通過(guò)計(jì)算得到PbX的拓?fù)洳蛔兞縕2=1，之后我們又進(jìn)一步計(jì)算了PbX的邊緣態(tài)，發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)具有一對(duì)自旋相反的零帶隙的邊緣態(tài)，分別連接了體態(tài)的價(jià)帶頂跟導(dǎo)帶底，形成了一對(duì)無(wú)能量損耗的導(dǎo)電通道，進(jìn)一步證明了其拓?fù)湫再|(zhì)。之后我們又計(jì)算了

5、PbX在BN襯底上生長(zhǎng)的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，我們發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)仍然保持了拓?fù)湫再|(zhì)。這項(xiàng)研究對(duì)拓?fù)浣^緣體的發(fā)展起到了一定的推動(dòng)作用。⑷對(duì)鉛烯進(jìn)行了有機(jī)官能團(tuán)的吸附研究。通過(guò)研究我們發(fā)現(xiàn)，氰基官能團(tuán)對(duì)鉛烯進(jìn)行吸附鈍化處理后，仍然保持著良好的拓?fù)湫再|(zhì)，我們通過(guò)計(jì)算拓?fù)洳蛔兞縕2=1以及存在零帶隙的螺旋邊緣態(tài)等結(jié)果驗(yàn)證了其拓?fù)湫再|(zhì)的存在。在實(shí)驗(yàn)制備上，我們提供了一個(gè)可行的方法，即通過(guò)用K4[Fe(CN)6]這種無(wú)毒的對(duì)環(huán)境無(wú)污染的氰化物試劑作為氰基的來(lái)源來(lái)