納米及表面吸附體系的第一性原理研究.pdf

1、近年來，納米和表面體系方面的研究取得了非常大的進(jìn)展，這些進(jìn)展不僅豐富了傳統(tǒng)的凝聚態(tài)物理、量子化學(xué)、新型功能材料等學(xué)科領(lǐng)域的研究內(nèi)容，也對信息技術(shù)、潔凈能源、環(huán)境科學(xué)等多個方面產(chǎn)生了影響。另一方面，隨著研亢體系復(fù)雜性的日益增加，以及納米體系不可忽視的量子效應(yīng)，第一性原理計算已經(jīng)成為不可或缺的研究手段。在這些前沿領(lǐng)域的研究中，理論計算不僅用來解釋觀測到的現(xiàn)象，揭示其背后的物理本質(zhì)，還可以用來指導(dǎo)實驗方面的研究，甚至可以通過搭建合適的模型，進(jìn)

2、行理想實驗。
　　 本論文主要論述了三個方面的工作：利用密度泛函理論研究了邊界化學(xué)修飾對扶手椅(armchair)型石墨烯納米條帶電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)的影響；利用非平衡格林函數(shù)技術(shù)結(jié)合密度泛函理論的方法研究了石墨烯納米條帶體系的電子輸運(yùn)性質(zhì)，從理論上設(shè)計了兩種納米器件；發(fā)展了基于第一性原理計算的表面吸附體系非彈性電子隧穿譜的計算方法，并討論了在幾個實際體系中的具體應(yīng)用。
　　 論文起始，第一章簡要介紹了第一性原理電子結(jié)構(gòu)計算的理

3、論框架和目前研究中常用的近似與方法。自從量子理論誕生，人們就開始了應(yīng)用量子理論描述實際體系的征途。而整個電子結(jié)構(gòu)理論，就是人們在用量子力學(xué)的基本原理描述真實體系的過程中得到的一種既可以負(fù)擔(dān)得起，又具有可接受的近似程度的方法體系。在這一章中，我們遵循著近似程度由低到高的脈絡(luò)，首先簡單介紹了目前電子結(jié)構(gòu)計算中經(jīng)常用到的三個基本近似，分別為：非相對論近似、玻恩-奧本海默近似和獨(dú)立電子近似；然后在此基礎(chǔ)上，敘述了Hartree-Fock近似方法

4、和自治場方法，這是現(xiàn)階段電子結(jié)構(gòu)計算的基石；隨后，簡要敘述了在研究中廣泛應(yīng)用的密度泛函理論，以及采用非平衡格林函數(shù)技術(shù)和密度泛函理論相結(jié)合的計算電子輸運(yùn)性質(zhì)的方法；最后，簡單介紹了本論文涉及到的工作中用到的幾個軟件包。
　　 納米科學(xué)和表面科學(xué)作為新興的交叉學(xué)科展現(xiàn)出了蓬勃的生機(jī)，在第二章中，我們簡要敘述了近年來該領(lǐng)域的研究進(jìn)展和現(xiàn)狀。首先，從實驗技術(shù)來看，掃描探針技術(shù)的發(fā)展，不僅使人們的目光達(dá)到化學(xué)極限，更重要的是作為一種實驗

5、手段，可以搭建、操控各種微觀實驗體系，甚至可以操控化學(xué)反應(yīng)；近年來發(fā)展的分子結(jié)技術(shù)也是一個巨大的進(jìn)步，使得人們可以對單個原子、分子量級的體系進(jìn)行電子輸運(yùn)性質(zhì)的測量，對下一代微電子電路的發(fā)展具有深遠(yuǎn)的影響。在新型的實驗體系方面，石墨烯引發(fā)了當(dāng)前的研究熱潮，無論是從其基本物理性質(zhì)還是在各個領(lǐng)域內(nèi)的潛在應(yīng)用來看，石墨烯都是一種令人激動的材料：表面吸附體系則是一個相對傳統(tǒng)的研究范疇，但由于其在異相催化、晶體外延生長、生命科學(xué)以及分子電子學(xué)等領(lǐng)域

6、都具有重要的應(yīng)用，仍存在許多問題亟待解決。
　　 石墨烯相關(guān)材料的一個非常有吸引力的應(yīng)用是作為下一代微電子器件。石墨烯納米條帶，作為一種石墨烯的衍生材料，其物理性質(zhì)受邊界手性、寬度、及化學(xué)環(huán)境等很多因素的影響，邊界碳原子被氫飽和的扶手椅型石墨烯納米帶(AGNR)均為半導(dǎo)體。在第三章中，我們用各種不同原子或者基團(tuán)對AGNR邊界碳原子進(jìn)行化學(xué)修飾，發(fā)現(xiàn)不僅可以改變AGNR體系的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)，比如改變帶隙、引起半導(dǎo)體-金屬轉(zhuǎn)變等，邊界

7、化學(xué)修飾還可以改變AGNR體系帶隙隨寬度的變化規(guī)律。此外由于AGNR體系一個可能的重要應(yīng)用就是分子器件，我們研究發(fā)現(xiàn)用常見的錨接基團(tuán)NO2和NH2對AGNR進(jìn)行邊界化學(xué)修飾時，體系的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)變化不大，這就意味著可以比較容易地將具有特殊電子性質(zhì)的AGNR單元模塊化組裝于分子電路中。
　　 分子電子學(xué)的研究主要有兩個方面，一是通過實驗或者理論的方法，研究分子或納米體系的電子輸運(yùn)性質(zhì)，以期找到具有特定電子學(xué)功能的器件，比如分子整流

8、器件、分子開關(guān)、量子點(diǎn)、負(fù)微分電阻器件等；此外便是利用體系的電子輸運(yùn)性質(zhì)，通過某些手段得到體系其他性質(zhì)，比如化學(xué)識別。在第四章中，我們在理論上設(shè)計了基于石墨烯納米帶的量子點(diǎn)器件和負(fù)微分電阻器件，這兩種納米器件都具有良好的穩(wěn)定性，有望在實際中應(yīng)用。
　　 在第五章中，給出了基于第一性原理電子結(jié)構(gòu)計算進(jìn)行表面吸附體系非彈性電子隧穿譜的模擬方法。我們采用Tersoff-Hamann近似和有限差分方法，實現(xiàn)了STM實驗體系中非彈性電子隧