硅烯材料上原子吸附的第一性原理研究-凝聚态物理专业论文.docxVIP

III III 目 录 摘 要 I AbstractII 目 录 III 引 言 1 第一章 绪论 3 1.1 硅烯材料的简介3 1.1.1 硅烯的结构 3 1.1.2 硅烯的制备 4 1.1.3 硅烯的性能 4 1.2 硅烯材料的应用5 第二章 第一性原理计算方法与软件简介 7 2.1 绝热近似7 2.2 密度泛函理论 8 2.3 赝势方法9 2.4 弹性能带法 10 2.5 线性响应法 10 2.6 计算软件简介 11 第三章 应力对硅烯上锂吸附的影响12 3.1 理论模型与计算方法 12 3.2 计算结果与讨论13 3.2.1 几何结构优化结果 13 3.2.2 总能与吸附能分析 15 3.2.3 声子谱分析 16 3.3 本章结论18 第四章 硅烯和氢化硅烯上原子吸附的比较19 4.1 理论模型与计算方法 19 4.2 计算结果与讨论20 4.2.1 几何结构优化结果20 4.2.2 原子在硅烯和氢化硅烯上的吸附22 4.2.3 原子在硅烯和氢化硅烯上的迁移23 4.3 本章结论25 第五章 结论与展望 26 参考文献28 致 谢 31 在读期间公开发表论文（著）及科研情况 32 硅烯材料上原子吸附的第一性原理研究 硅烯材料上原子吸附的第一性原理研究 PAGE PAGE 1 引 言 超薄型二维结构的体系在可控合成和纳米级材料领域中已经成为了备受瞩 目的国际前沿及研究的热点。自 2004 年首次制备出石墨烯以来，它独特的蜂窝 状排列的碳原子晶体结构和弹道电子输运、反常的量子霍尔效应、高热导率和无 质量的狄拉克费米子的电子特性[1-6]在微电子领域和基础物理学中具有广泛的应 用价值。 在石墨烯被发现并成为研究热点之后，人们重新对碳元素同族的硅烯产生了 浓厚的兴趣。硅烯拥有褶皱的蜂窝状结构，且被证实具有类似石墨烯的电子结构 [7-8]。硅烯是单原子层的硅薄膜，其结构属于六方晶系。由于硅烯材料具有奇特 的物理特性，近年来，引起了越来越多的研究人员的密切关注。人们采用各种理 论和实验方法对硅烯体系进行了一系列的研究。Cahangirov 等人[9-10]对于硅烯的 理论计算表明π键和π* 键的能带线性穿过费米能级，反应出硅烯的半金属性和零 带隙特性。北京理工大学物理学院姚裕贵教授课题组[11]证实了硅烯中的狄拉克费 米子的存在，同时他们的结果表明二维硅烯是拓扑绝缘体，且具有远大于石墨烯 的能隙，约为 1.55 meV，因而实验上可以观测到硅烯中的量子自旋霍尔效应[12]； 此外他们还给出了硅烯的低能有效哈密顿量，并阐明了由于起伏结构，硅烯中有 效的自旋轨道耦合包含了一阶的自旋轨道耦合相互作用，这是导致硅烯中存在较 大能隙的根本物理原因[13]。不仅完美的硅烯引起了人们的关注，而且硅烯上原子 吸附研究也有了一定的进展。例如黄娟等人[14]计算了在硅烯上锂原子的吸附和扩 散，分析出锂吸附在硅烯上的吸附能随着锂原子的浓度增加而增加，而迁移势垒 相对较低，且不依赖于锂吸附的浓度。Sahin 等人[15]运用第一性原理的方法研究 了硅烯上吸附碱金属 (Li, Na, K) ，碱土金属 (Be, Mg, Ca) 和 3d 过渡金属原子， 结果表明过渡金属原子的吸附可使得体系表现出金属性、半金属性、半导体性， 并且最终的电子结构性质取决于被吸附原子的类型和原子半径。Sivek 等人[16]研 究了硅烯上吸附硼、氮、锂、磷四种原子，对该体系的稳定性、电子结构和声子 的特性进行了详细地分析。另一方面，刘刚等人[17]和 Qin 等人[18]都研究了硅烯 在应力作用下的电子结构特性，发现应力会引起硅烯材料的半金属与金属性的转 变。硅烯具有优异的导电性能，这意味着它在未来电子领域产品中将有很大的用 武之地，特别是人们对获得更快或更小的计算机芯片抱有很大的期待。 本论文主要是利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法对硅烯材料上 原子吸附问题加以研究。第一章中对硅烯材料结构、制备及应用做了简单介绍。 借助计算机模拟的方式来研究硅烯材料的性能，对计算中涉及的物理基础需要有 硕士学位论文 硕士学位论文 一个大致的了解，在第二章中对第一性原理计算方法做了初步介绍。对于具体研 究工作的分析和讨论在第三、四章中加以详细介绍。 硅烯材料上原子吸附的第一性原理研究 硅烯材料上原子吸附的第一性原理研究 第一章 绪论 1.1 硅烯材料的简介 硅烯的结构 2004 年，英国曼彻斯大学的 A.Geim 和 K. Novoselov 用极为简单的剥离方法 观测到了单层或薄层的新型二维原子晶体-石墨烯[19]。石墨烯由于其特殊的物理 性质使其在纳米电子器件、储能材料、气体传感、光电材料、复合材料等各方面 都有