ZnO納米結(jié)構(gòu)物性的第一原理研究.pdf

1、進(jìn)入21世紀(jì)以來，對半導(dǎo)體納米材料性能的研究一直都是人們關(guān)注的熱點。ZnO作為Ⅱ-Ⅵ族氧化物半導(dǎo)體材料，因其寬的直接帶隙(室溫下3.37 eV)和較大的激子結(jié)合能(60 meV)，良好的光電、壓電、熱電轉(zhuǎn)換性能等，在電子和光電子器件等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。近些年來，ZnO納米材料由于其結(jié)構(gòu)多樣性，以及因尺寸大小而具有的不同于宏觀塊體材料的特殊性能，也受到了人們高度的重視。此外，對石墨烯相關(guān)體系性質(zhì)的研究近幾年來也是納米材料領(lǐng)域中的熱點

2、。因此，本論文采用基于密度泛函理論的第一原理方法對低維ZnO納米材料和雙層石墨烯體系的物理性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　 第一部分中，我們對低維ZnO納米材料(包括零維團簇，一維納米線、納米管，二維原子薄片等)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、磁性和電子性質(zhì)，以及軸向加載對一維ZnO納米線、納米管的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)的影響進(jìn)行了系統(tǒng)地研究。主要包括：(ⅰ)零維團簇：我們對ZnO團簇的結(jié)構(gòu)和磁性進(jìn)行了研究，考慮了邊界類型和尺寸大小的影響。結(jié)果表明，所有以O(shè)

3、原子為邊界的單原子層團簇都可以表現(xiàn)出磁性。小尺寸團簇表現(xiàn)出鐵磁性，而較大尺寸的團簇則表現(xiàn)出亞鐵磁性。對于多原子層的團簇，奇數(shù)層的團簇也可以表現(xiàn)出鐵磁性，但偶數(shù)層的團簇不會顯示出磁性。(ⅱ)一維納米材料：我們對ZnO納米線和納米管在軸向加載作用下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子性質(zhì)進(jìn)行了計算，發(fā)現(xiàn)軸向應(yīng)變不僅能改變納米線和納米管的結(jié)構(gòu)，也能改變它們的電子性質(zhì)。對于ZnO納米線，軸向應(yīng)變導(dǎo)致納米線發(fā)生了直接帶隙向間接帶隙的轉(zhuǎn)變以及W結(jié)構(gòu)向H結(jié)構(gòu)的相變，且

4、電子帶隙轉(zhuǎn)變是先于結(jié)構(gòu)相變的發(fā)生。所研究的所有ZnO納米線在W結(jié)構(gòu)下為直接帶隙半導(dǎo)體，而在H結(jié)構(gòu)下則為間接帶隙半導(dǎo)體。對于ZnO納米管，軸向加載可以使A形和Z形納米管之間經(jīng)過一個局域穩(wěn)定態(tài)H形結(jié)構(gòu)來發(fā)生相轉(zhuǎn)變。三種結(jié)構(gòu)類型的ZnO納米管均為半導(dǎo)體，A形和Z形納米管表現(xiàn)出直接帶隙半導(dǎo)體的特征，而H形納米管則表現(xiàn)出間接帶隙半導(dǎo)體的性質(zhì)?；谠榆壍镭暙I(xiàn)特征的分析，我們對應(yīng)變調(diào)制納米線和納米管電子性質(zhì)的機理給出了解釋。(ⅲ)二維原子薄片：我們

5、研究了表面修飾對原子薄片的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)表面修飾后的原子片表現(xiàn)出奇特的電子性質(zhì)。在表面氫化的原子薄片里，當(dāng)薄片中的Zn、O原子全部被H原子鈍化后，薄片呈現(xiàn)出間接帶隙半導(dǎo)體的特征；當(dāng)僅僅O原子被氫化時，體系則呈現(xiàn)出類金屬的性質(zhì)，且以上二者都沒有表現(xiàn)出磁性。相反地，當(dāng)僅僅Zn原子被氫化時，體系則可以表現(xiàn)出鐵磁性來，且每一個原胞帶有1.0μB的磁矩。此外，我們還從吸附能的角度對體系的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，并提出分別使用H和-

6、NH2官能團進(jìn)行表面修飾是一種實驗上可以實現(xiàn)ZnO原子薄片金屬性和磁性的可行性方法。
　　 第二部分中，我們對雙層石墨烯在表面氫化和平面內(nèi)雙軸加載下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子性質(zhì)進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)表面氫化后的雙層石墨烯是非常穩(wěn)定的，每一個C原子都呈現(xiàn)sp3成鍵，表現(xiàn)出半導(dǎo)體的特征，而且其帶隙在雙軸應(yīng)變的作用下可以發(fā)生大小連續(xù)的改變。此外，壓應(yīng)變可以使得體系發(fā)生半導(dǎo)體性向金屬性的轉(zhuǎn)變?；趯﹄娮討B(tài)的軌道貢獻(xiàn)的分析，我們還對應(yīng)變連續(xù)調(diào)控帶隙大