丁建文[1]2003年在《低维纳米结构体系的电性质和应力效应》文中指出由于制备工艺和技术的进步,近十年来纳米结构材料特别是低维纳米结构材料正经历着一场革命性的进展。使用不同的合成方法,人们能够制备出团簇、纤维、薄膜、涂层、粉末以及块体等形式的纳米结构材料。这些材料可能在零维到叁维方向受到约束,一般限制在100nm的尺度范围之内。其原子结构显然不同于无序的玻璃和有序的晶体,界面原子所占比例非常大,可以达到5~50%。在这些材料中可以观察到一些奇异的物理和力学新效应如小尺寸效应、表面和界面效应、压电效应等。因而,它们可能具有优于常规固体的物理力学性能,甚至呈现一些常规固体不具有的反常性质。现在人们已经认识到,通过控制粒子尺寸或通过纳米粒子的适当组装就可以人为调整或改变材料的性质。一门新兴学科——纳米材料科学已经形成,它与力学的交叉产生了一系列的基础力学问题,涉及到物理力学、纳米力学以及力学中的数学方法。这些问题与凝聚态物理、纳米物理、表面物理、化学等众多学科密切相关。然而,理论上如何理解非完备纳米结构体系的物理力学性能仍然是一个挑战。主要的困难在于经典力学、经典的晶格动力学等理论和分子动力学等纯数值方法已经不太适应这些对称性发生了破缺的新型结构体系。如何研究这些体系的奇异物理力学性能,有待人们发展新的理论研究方法。碳纳米管是准一维纳米功能材料,是低维纳米结构体系的一个典型代表。它具有惊人的力学性能,是自然界中强度最大的材料之一,而且即使来回反复的弯曲也不容易破裂。有趣的是,它们既可以是金属也可以是半导体,仅仅依赖其管径和螺旋度等几何结构参量而不需要任何掺杂。它们还具有良好的热导率以及非同一般的光学性能。这些独一无二的性能使得它们可能成为理想的微电子元器件以及压电装置的分子材料。因此,它们是研究纳米材料电性质、力性质以及力电效应的非常理想的研究对象。本文中我们发展了一系列有效的理论方法,系统地研究了碳纳米管等材料的电子性质以及应力效应。本论文共有八章。第一章主要介绍研究纳米结构体系性质的基本理论和方法。作为具体例子,我们发展转移矩阵方法和重正化群方法,研究了一维纳米
李新茹[2]2017年在《新型二维材料的自旋极化、量子自旋霍尔效应和半导体性质的电子结构及调控》文中指出二维纳米材料由于原材料丰富以及性质优良等突出特点,是当今科学研究领域的热点。尤其是在石墨烯成功制备后,人们发现这种二维单层材料具有良好的机械性能和物理化学性质。石墨烯的成功问世,进一步激发了人们探索新型二维纳米材料的研究热情。目前,已有诸多二维纳米材料被成功预测甚至合成,它们优异的性能在不同领域都表现出重要的应用价值。如,在自旋电子学应用方面,二维磁性纳米材料体系具有较稳定的自旋极化性质和优良的结构-性能稳定性,能够满足当今时代越来越高的存储和处理能力与越来越小的器件尺寸的双重需求,可以作为新一代高性能自旋纳米器件;在新奇物理效应方面,二维拓扑绝缘体材料体系具有奇异的量子自旋霍尔效应,即边缘态受到拓扑保护,并且自旋在边缘态中可以无耗散的高速迁移,在进一步提高新一代自旋电子设备性能、降低能耗等方面表现出重要的应用潜力;在半导体应用方面,二维半导体纳米材料体系通常具有超高的比表面积、外场可控的能带结构、较高的载流子迁移率和合适的半导体带边位置,为我们寻找新型高效的纳米半导体材料,实现电子器件和光催化等方面的应用提供了新途径。在本论文中,我们借助第一性原理计算系统地研究了一系列新型二维纳米材料体系的电子结构和相关性质,并对其微观物理机制进行了深入探讨,研究了二维纳米材料在自旋电子学、量子自旋霍尔效应和半导体电子结构及调控等多方面的性质,为二维纳米材料在节约能源、降低能耗和能源转换等多方面的应用提供了系统的理论指导。本文第一章介绍二维纳米材料的发展现状与应用以及本论文主要研究内容。第二章介绍第一性原理计算的理论基础和软件包。第叁章研究基于过渡金属的二维磁性纳米材料体系的电子结构和自旋极化性质,并探讨了体系自旋极化性质的调控。第四章详细地展示了二维纳米材料体系中的量子自旋霍尔效应,设计了一系列室温二维拓扑绝缘体体系。第五章详细研究了二维纳米材料和其复合体系的半导体电子结构调控以及在电子器件、光解水等方面的潜在应用。第六章对本论文的主要结论和创新点进行了总结,并对新型二维纳米材料的理论研究做了展望。本论文的主要研究内容和结果如下:(1)研究了二维 TM(TM = Ti、Zr、Hf、V、Nb 和 Ta)单层材料以及 TM(TM= Ti、V、Cr、Mn和Fe)与锗环构成的纳米分子链[(Ge5)TM]∞的电子结构和自旋极化性质。研究表明Ti、Zr、Hf单层以及[(Ge5)TM]∞(TM=Ti和Fe)具有铁磁基态,其铁磁性来源于TM原子的d电子。此外,TM单层的居里温度大于580 K,在室温下也能保持较高的自旋极化率。这些结果为新型自旋电子器件的发展开辟了道路。(2)探索了一系列二维纳米材料体系中的量子自旋霍尔效应,其中包括g-TlA(A = N、P、As和Sb)和TMC6(TM = Mo和W)体系。结果表明这些体系中较强的自旋轨道耦合作用(SOC)能够在费米能级附近引入能带反转,同时产生拓扑保护的边缘态。且这些二维体系的带隙宽度均大于室温下电子的跃迁能(26 meV),是室温下理想的二维拓扑绝缘体材料。(3)研究了二维复合拓扑绝缘体体系GeI/MoTe2的电子结构和拓扑性质。并且证实MoTe2都是二维拓扑绝缘体GeI单层的理想衬底。以MoTe2为衬底的GeI单层,其带隙宽度是240 meV,比室温下电子跃迁能(26 meV)大了将近一个数量级。同时,SOC作用下费米能级附近非平庸的能带反转机制可以通过直接计算体系的自旋陈数Cs= 1得到证实。我们解决了目前二维拓扑绝缘体和衬底相互作用过强使得边缘态与衬底能带相耦合,导致实验中不能观测到拓扑态的关键科学问题。(4)探索了二维复合半导体材料体系graphene/g-C3N4和MoS2/MXene(MXene = Ti2C02、Zr2C02和Hf2C02)的电子结构和能带调控。研究结果表明层间弱范德瓦尔斯相互作用能够使得体系的电荷重新分布,导致复合体系的能带结构兼备两种不同单层的性质。Graphene/g-C3N4复合体系是带隙宽度为106meV的半导体,而其费米能级附近仍能够保持类似石墨烯体系中的较小的有效质量和较大的费米速度。MoS2/MXene体系形成了 Type-II半导体能带对齐方式,使得电子和空穴分别分布在MXene和MoS2上,实现了载流子的空间分离。另外,研究还发现这些二维复合纳米材料体系的能带结构均可以通过外场(电场、应力等)进行有规律地调控。(5)研究了一系列新型非金属硅基二维材料p-SiX(X = B、C和N)以及无机非金属螺旋纳米链体系XYP(X = Si、Ge和Sn;Y = Cl、Br和I)。结果表明p-SiC和无机非金属螺旋纳米链体系XYP是带隙宽度在2.21～2.96 eV之间的半导体体系,其带隙宽度恰好对应太阳光谱的可见光波段。进一步研究表明这些材料具有较高的载流子迁移率,并且其带隙宽度与带边位置均能满足光解水的氧化还原电势。这一研究为实验制备新型高效的光催化剂提供了重要的理论基础。
叶伏秋[3]2010年在《低维纳米体系载流子弹性输运性质的研究》文中提出低维纳米体系中的物理性质的研究是当前凝聚态物理十分活跃的前沿研究领域之一。本文就多通道纳米结构中的弹性声子输运和热导、纳米尺度分子器件中的弹性电子输运性质进行了研究和探索，获得了一些有意义的结果。主要有：基于弹性连续模型和散射矩阵方法，我们研究了H型四通道纳米结构中的弹道声学声子输运和热导性质。在H型四通道纳米结构中，当入射声子的频率趋近于0时，各通道中0模的透射几率几乎不受结构参数的影响；而高频声学声子在各通道中的透射几率与结构参数密切相关，且通道III中的透射系数最大；当温度趋近于0K时，各通道的热导接近于量子化热导π2k2BT/(3h)的四分之一；随着温度的升高，各通道的总热导增减不一且在通道III的热导最大；通过改变散射区域的长度或四通道的横向宽度能有效地调节各通道中声子模的分离程度和热导的大小。通过运用密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的第一性原理方法研究了由单phenalenyl分子和石墨纳米带电极所组成的一维单分子器件中电子的输运行为。我们重点讨论了phenalenyl分子自身连接构型变化对分子器件电子输运性质的影响，然后我们比较了石墨电极与金属电极对分子器件电子输运特性的影响。研究结果表明phenalenyl分子自身与电极不同的接触位置对分子器件的电子输运性质有着很重要的影响。不同电极材料对分子器件的电子输运性质也是一个很重要的影响因素。这些结果将有助于我们今后理解和设计分子器件。
曾杰[4]2007年在《基于零维纳米体系的结构设计与构筑、性能调控及应用研究》文中指出零维纳米结构作为低维纳米材料体系的重要组成部分，同时也是构筑低维纳米材料的基础，在纳米材料学的发展过程中处于举足轻重的位置。单一型零维纳米结构虽因叁维受限而具有很多优越性能，但由于其材料、组分和结构单一，功能有限，限制了其在多学科交叉领域的广泛应用。因此，发展高级结构和性能的纳米材料体系，是我们研究的焦点。在论文中，我们基于零维纳米结构体系，设计并合成出多种高级纳米结构和优越性能的材料，同时总结和拓展了相应的合成方法，此外还开展了一些纳米结构在交叉学科应用的探索。在第一章中，我们从低维纳米结构的物理效应出发，介绍了低维体系中最基本的零维纳米结构在纳米电子学和纳米生物学领域的用途，阐述了高级零维纳米结构的特征和实现途径，并讨论了零维纳米结构和其他高级维度纳米体系的关联和互动。在第二章中，我们设计并合成出半导体—金属(CdSe-Au)异质结构纳米颗粒，同时调控了两组分的比例，研究了这一纳米颗粒的特异性谱学特征。基于以上实验，总结出一套较为普适性的制备异质结构纳米颗粒的方法——相分离及界面反应方法。我们进一步在多个材料体系下验证了该方法的可行性，制备出一系列的双元以及多元异质型纳米颗粒，包括PbSe-Au异质结构量子点、FePt-Au和Cu_2O-AuAg异质结构纳米颗粒等等，并探讨了异质复合型零维纳米材料体系在该方法中形成的机制和过程，为实现纳米颗粒的结构多元化和性能多样化提供了新的途径。在第叁章中，我们基于最简单的单一型纳米颗粒，通过物理外场诱导化学合成的方法构筑了一维高级纳米结构，包含两部分内容：(1)利用磁场诱导Co纳米颗粒形成Co纳米颗粒链状结构，通过电交换反应得到空心的贵金属Au、Pt或Pd的空心纳米颗粒链，并利用磁场的可调节性有效地调控贵金属空心纳米颗粒链状结构的链长，进而实现金属等离子共振吸收光谱的大范围调节；(2)利用光场诱导CdSe／Te纳米颗粒经过柯肯达尔效应、光生偶极组装及结构再构等一系列过程构造CdCl_2纳米管，进一步跟踪并讨论了这种从纳米颗粒到纳米管的变化过程及机制，为温和条件下制备无机纳米管提供了新途径。综合这两部分内容，这种物理外场诱导的化学合成方法，实现了对纳米结构在形态和维度上的同步控制。在第四章中，我们选取CdSe和Au这两种最基本的纳米颗粒，开展性能调控和应用研究。对于CdSe颗粒，我们提出了一种精细调控其荧光光谱的方法，这种方法的调控精度达到1nm，并建立了相关模型来分析这种光谱调控方法的原理，为量子点的带宽工程提供了有效的辅助手段。对于Au颗粒，我们研究了其尺寸、表面修饰对癌细胞吞噬效应的影响，找到最佳的吞噬条件；同时还发展了一种基于金颗粒的放射治疗乳腺癌的新方法，并在细胞水平的实验中获得了理想的结果。
顾建军[5]2011年在《低维纳米结构体系的磁性》文中指出制备结构和物性可控的新型低维纳米材料是纳米技术的重要研究方向之一。通过控制纳米体系的形貌、晶体结构和尺寸来改善其性能并构成具有特定功能的纳米器件,是纳米科学研究的热点。低维体系的纳米材料,由于其磁组态往往表现出新颖的物理现象,在新一代垂直磁记录和自旋电子器件中有着广泛的应用。随着器件的小型化,磁性器件单元的尺度越来越小,因而对低维纳米体系磁学性质的研究就显得尤为重要。本文以一维结构的纳米线和二维结构的氧化物薄膜为研究对象,对系列样品的结构、磁性等相关物性进行了研究。本文主体可分为叁部分:1.一维纳米线阵列的结构与磁性采用溶胶真空灌注AAO模板法成功的制备了Ni_1-xMn_xFe_2O_4(x=0.00-0.75)纳米线阵列。在Mn掺杂浓度为0.5时,饱和磁化强度达到最大,当锰浓度增加至0.75,饱和磁化强度下降。磁化强度的变化与Mn离子在尖晶石结构中的替代、占位导致净磁矩的变化有关。未掺杂的NiFe_2O_4纳米线的饱和磁化强度略低于块体材料,这是由于疏松的微结构使线体表面原子数量急剧增加,致使非线性的磁结构占主导地位所致。而对于掺杂的样品,磁化强度均大于块体材料的磁化强度。采用直流电沉积方法制备了CoZn纳米线,后期退火形成了Co掺杂ZnO纳米线阵列。在500°C退火的样品中观察到了最大的矫顽力Hc// = 925 Oe和最大的剩磁比Mr/Ms = 69%。高温退火后CoO的出现导致了样品的磁性减弱。2.二维稀磁半导体(DMS_S)薄膜的磁性表征在这部分工作中,针对弱磁性信号材料的磁性表征困难问题,基于物理性能测量系统PPMS-6000中的磁性测量模块,提出了一种改进的磁性修正方法,首次考虑了基底对样品矫顽力的影响,并对玻璃、单晶硅和蓝宝石等常用基底的磁测量数据进行了拟合,计算了数据拟合产生的磁矩误差和系统测量误差,分析了基底M-H曲线零点附近的非线性对样品信号的影响,并与传统磁性修正方法做了比较,给出了判断小磁化值材料磁性的依据,并对改进修正方法的普适性作了说明。采用磁控共溅射方法,在不同氩氧比(6:1、4:1、2:1、1:1)下制备了非磁性金属Al掺杂ZnO纳米薄膜。并对薄膜样品在不同温度200℃、300℃、400℃和500℃下进行真空退火。采用改进的磁性修正方法,在Al-ZnO系列薄膜中没有观察到室温铁磁性的出现。采用同样方法制备了Al/ZnO/Al复合薄膜,并在200℃和500℃下进行真空退火30 min,然后再在空气氛围中相同温度下退火30 min。修正后的磁性测量结果显示,真空退火后再空气退火的样品显示出了明显的室温铁磁性。磁性的来源可能与Al和ZnO基体之间发生的电荷转移导致Al和Zn的电子结构发生改变有关。对于磁性金属Fe掺杂的TiO_2薄膜,观察到了室温铁磁性,铁磁性的来源可能与磁性离子的替代有关。3.二维多铁材料BiFeO3复合薄膜的磁性与电性采用溶胶旋涂法制备了NiFe_2O_4-BiFeO3薄膜。X射线衍射图谱(XRD)显示形成了分离的钙钛矿结构的铁电相BFO和尖晶石结构的铁磁相NFO。NFO的引入导致复合薄膜的泄漏电流减小,剩余极化强度增加。通过计算NFO的铁磁贡献推测BFO-NFO复合薄膜中可能存在着磁电耦合。相比于纯BFO薄膜,0.25NFO-0.75BFO样品泄漏电流下降了约两个数量级,剩余极化强度(Mr)和饱和磁化强度(M_s)都达到最大值,分别为2.3μC/cm~2和70.2emu/cm~3。采用溶胶旋涂法制备了BiFe1-xMnxO_3系列薄膜,并利用磁控溅射方法在BiFe1-xMnxO3薄膜表面溅射一层TiO_2阻挡层,形成了TiO_2/BiFe_1-xMn_xO_3复合薄膜。阻挡层的引入有效地抑制了BFMO薄膜中Bi的挥发,消除了杂相,同时也大大减少了BFMO薄膜表面存在的大量悬键产生的氧空位和势阱,降低了泄漏电流。铁电测试表明,TiO_2层的引入使得BFMO的泄漏电流密度降低了大约两个数量级,剩余极化强度提高了约十倍。在Mn替代浓度为10%的样品中观察到了较强的铁磁性,相应的剩余磁化强度和矫顽场分别为0.8emu/cm~3、80Oe。复合薄膜中的磁性来源可能有两个方面,一方面,Mn的替代破坏了BFO的螺旋型自旋结构,导致自旋子晶格倾斜,使得薄膜呈现出弱的铁磁性,另一方面Mn的替代导致BFO晶粒尺寸减小,进而导致薄膜磁性增强。
温静[6]2016年在《In_2O_3(ZnO)_m电子结构及其纳米材料电子输运性质研究》文中提出透明导电氧化物通常都具有n型电导和宽带隙的普遍特征,它们在实现透明光电子器件的开发和应用方面具有举足轻重的作用。同构化合物InMO_3(ZnO)_m(M=In,Ga,m=正整数)(IMZOm)体系由于其特殊的层状晶体结构和光电性质,例如非晶态高迁移率,在可见和近紫外光区域的光学透明性以及优异的热稳定性等等,有望被广泛应用于下一代柔性和透明光电子以及纳米光电子器件之中。本文以In_2O_3(Zn O)m(IZOm)体系为代表,系统地研究了它们的晶体结构和电子结构,以及其一维纳米结构的电子输运性质,进而揭示了它们与结构相关的特有的物理特征。我们提出了一种V字型调制结构来作为IMZOm体系的一种基态结构模型(Zigzag调制结构),并且给出了其形成机制。V字型调制结构在其高分辨模拟计算结果中可以被清晰地辨别。该模型可以对已有的各类高分辨实验结果给出很好的解释。基于第一性原理总能计算,本文考察了该体系当前比较有争议的叁种模型(平面结构,DYW以及准随机结构)和Zigzag调制结构模型的结构稳定性,给出了各类结构之间的转变机制。结果显示V字型调制结构是相对最为稳定的构型,其不同的构型方式取决于M原子的投影排列方向。满足体系配位数的动力学过程,以及同时保持体系高对称性和近邻In原子间距最大化的要求,是形成该类调制结构的主要机制。同时,统计平衡和热涨落过程使得该体系可以出现多种亚稳态结构。计算结果显示IZOm体系具有多态和准多型的结构特征。基于平面和调制结构模型,本文研究了该体系结构相关的电子结构特征,提出了一种合理计算该类化合物电子结构的修正方法。它们的带隙和有效质量随着m值具有单调递增的趋势。理论计算的带隙变化范围为2.59-3.18 e V(m=1-6),与实验结果符合得很好。平面结构体系的电子有效质量表现出显着的各向异性特征,并且随着m值的增大,不同方向有效质量的差异也逐渐变大。这一明显的各向异性特征可以被用来解释该体系电导率各向异性的实验结果。计算结果证实了在IZOm层状结构中存在电子最优化输运通道,它可以有效地将导电电子和散射中心相分离,使其在一定条件下较掺杂Zn O表现出更为优越的电子输运能力,从而有望在光电器件中展现出优异的性能。在此基础上,本文研究了本征及掺杂IZOm纳米带在金属-半导体-金属(MSM)接触结构下的电子输运性质,发现其I-V特性曲线表现出结构相关的非欧姆输运行为。我们首先提出了一种计算模拟MSM结构下半导体纳米线(带)I-V特性曲线的理论方法,从而可以有效地提取其各类电学参数。载流子浓度作为一项重要的参数被引入到电流计算的表达式之中。纳米线的子带结构被同时加以考虑,从而避免了金属电极和纳米线接触面积测量的不确定性,并且可以将其与体系费米能级的位置相关联。MSM结构中的双肖特基势垒对I-V特性曲线具有不同程度的影响。其中,在势垒高度较大并且外加偏压较小时,处于正向偏压的接触势垒具有开启电压的作用;另一方面,处于反向偏压的接触势垒主要控制着实验曲线的线型特征。结果证明相似线型的I-V特性曲线可以通过调节势垒高度或者载流子浓度而得到。基于此,本文给出了不同类型的欧姆-肖特基转变机制,澄清了目前存在的不确定性。将上述方法应用于IZOm纳米带体系,发现上述MSM结构机制和空间电荷限制(SCL)输运机制都无法对其进行合理的解释。本文提出了一种晶体和电子结构相关的基于声子辅助的束缚电子跃迁输运模型,给出了其非线性电流-电压关系式,以及计算其电学参数的方法。上述结果有效地澄清了有大量束缚中心存在的体系和MSM结构对载流子输运的不同影响,推动了其在纳米器件中应用的步伐,并且提供了一种有效的途径来区分一维纳米结构电子器件本征输运特征和电极接触端输运特征的差异。此外,通过测量的实验结果和计算的电学参数可以发现,该类体系具有优异的可调电学性质,可以作为替代In_2O_3的潜在候选者被广泛应用于柔性和透明光电子及其纳米器件之中。
贺言[7]2017年在《半导体纳米结构的表/界面以及光电性质的调控研究》文中指出作为一种可以将光能直接转换为电能的装置,太阳能电池从1954年在Bell实验室诞生以来一直受到人们的广泛关注,特别是近十年纳米结构在光电性质方面的巨大发展为实现经济型的第叁代太阳能电池提供了可能。纳米结构太阳能电池与传统的光伏设备相比不仅可以降低成本以及简化制备手段和工艺,而且由于纳米结构所特有的表面和界面效应将引起自身产生奇特的物理化学性质,从而有效的提高内/外量子效率和光电性质。然而,虽然纳米结构具有提高光电性质的潜力,甚至可以将光电转换效率提高到Shockley-Queisser理论极限以上,但是目前实验上得到的单节纳米结构太阳能电池的转换效率依然远低于这一结果。这是由纳米结构的光学性质受自身尺寸影响非常大所导致的。事实上,当样品材料的尺寸下降到纳米量级后,体系具有的高体表比和具有高配位缺陷的表面或界面原子将导致边界原子键长自发的收缩和变强,从而诱使整个体系处于自平衡态,改变纳米结构的光电性质和输运性质。此外,由于材料尺寸的逐渐下降到低于临界尺寸之后,纳米结构将不能保持一个完整的耗尽层,导致表面能带弯曲度和表面势垒的降低,从而引起表面复合的增强。因此,如何有效地调制纳米结构的光电性质和输运性质以及降低电子-空穴的复合已成为制约纳米结构在光伏产业以及光电应用上的最大挑战之一。在本论文中,基于键弛豫理论以及细致平衡原理,我们建立了一套解析模型来探索表面和界面效应对纳米结构太阳能电池的光电性质和输运性质的影响。首先,我们研究了尺寸以及外界温度依赖的纳米结构太阳能电池光电转换效率;其次,以核壳纳米结构以及纳米锥太阳能电池为例,研究了外延层和表面形貌对表面复合和光反射的抑制作用,以及对载流子输运的增强机制;此外,基于费米统计理论和费米黄金定则,还研究了纳米结构多重激子效应和俄歇复合的尺度依赖。取得的主要成果有:(1)基于键弛豫理论,从原子层次研究了纳米结构的尺寸,形貌以及温度对光电转换效率的影响。通过研究发现表面原子自发的收缩以及热效应所诱导的自平衡应变是引起光电性质变化的主要原因。在不考虑复合率的影响下,纳米结构的转换效率随尺寸减小将展现出先缓慢增大之后迅速变小的趋势,并具有明显形貌差异。(2)研究了纳米结构太阳能电池的复合机制和光吸收性质。以核壳纳米线和纳米锥为例,利用键弛豫理论模型得到了不同外延层厚度以及形貌对表面复合和光吸收的影响。结果表明:外延层的存在不仅可以减小纳米结构的表面效应,提高体系的稳定性,还可有效的降低表面态和抑制载流子的复合,从而实现提高光电转换效率的目的。而纳米锥至上而下的形貌变化梯度有利于提高光的吸收和降低表面复合,从而有效的促进了光电转换效率。另外,我们还发现光吸收和表面复合两者的竞争关系决定着最佳转换效率。(3)利用费米统计理论和费米黄金定则分别研究了纳米结构尺度以及形貌对多重激子效应和俄歇复合的影响。我们发现纳米锥以及小尺寸的纳米结构有利于提高高能光子的利用率,使得在吸收一个高能光子可以有效激发出新的电子-空穴对,从而提高了多重激子效应和抑制阈值能。而纳米线由于具有较低的带隙和限制效应,因此在实现高效的光电性质和抑制俄歇复合过程具有非常明显的效果。另外,研究结果还表明多激子俄歇复合的寿命是由能带结构和纳米结构尺寸之间的耦合效应所决定的,呈E_g~(7/2)D~7的关系式。这一结果导致俄歇复合寿命与尺寸在双对数坐标下近似呈线性关系,D~p,而p则随尺寸的改变而变化。我们的理论预言与实验测得结果非常的吻合。(4)基于键弛豫理论研究了外延层厚度对半导体纳米线载流子输运性质的影响。通过调制纳米线的尺寸和外延层厚度有利于降低体系的声子散射,表面粗糙度的散射以及自平衡应变,从而提高电子的迁移率。另外,我们发现由于受到声子散射,表面散射以及子带等机制之间的相互竞争影响,将导致空穴迁移率随尺寸的变化出现极大值。
孙启龙[8]2017年在《几种新型二维材料的结构设计及其电子相关性质研究》文中进行了进一步梳理石墨烯的成功制备彻底释放了二维纳米材料在诸多应用领域的潜力。得益于自身独特的结构特点和新奇的物理化学特性,近年来二维纳米材料备受广大科研工作者的的青睐和追捧。而其中发展最为迅猛的应当是二维材料体系,大量类石墨烯结构被理论预测或实验合成,例如六角氮化硼、硅烯、过渡金属硫属化合物、磷烯、砷烯等。目前,这些二维材料已经组成了一类非常完备的低维纳米材料体系,丰富的性质与功能属性几乎能满足所有研究领域的需求。例如在二次电池的研究中,使用低维纳米材料作为电极已经被公认为是提升电池的性能和安全性的重要手段。不仅如此,基于层状结构的特点,不同的二维材料可以组建异质结构,这对于实现各种电子器件,光电器件具有极为重要的意义。区别于传统的范德瓦尔斯异质结,横向异质结只能通过化学气相沉积法外延生长得到,它的出现标志着异质结体系达到了终极单原子层厚度,但是其结构和性质的研究仍处于起步阶段。理论上预测新型横向异质结体系并揭示其内部各种优良的电子性质与新奇的物理现象必将成为随后研究的热点。与此同时,一维和二维有机分子材料也取得了长足的进展。尤其在自旋电子学研究领域,这些有机分子材料能为实现均匀分散的磁有序排布提供良好的平台。本文中,我们系统地研究了多种二维纳米材料的结构、电子性质、磁性、载流子迁移属性以及拓扑特性,描述了表面吸附修饰、外部应力、衬底效应等对上述体系的调控行为,揭示了其内部有趣的物理机制和丰富的功能应用。论文包含六章:第一章简要概述当前二维纳米功能材料的研究现状和背景。第二章简要介绍本论文涉及的密度泛函理论基础、方法以及相应的第一性原理计算软件包。第叁章分节详细地介绍了新型功能横向异质结的设计和研究工作。第四章研究了二维Mo_2C单层材料在锂离子、钠离子电池上作为负极材料的性能表现。在第五章中,我们理论上设计并研究了多种低维金属有机分子框架结构,阐明其在自旋电子学领域的应用前景。第六章对本论文的主要研究内容和创新点进行了简要总结,并展望了二维纳米功能材料在相关研究领域的研究方向。论文的主要研究内容和结论如下:(1)揭示了石墨烯/h-BN横向异质结内部组分基材的横向宽度和比例对于电子能带结构、磁性的影响以及引起的体系从绝缘体到金属态的相变。研究了外部应力策略对体系能带的调节作用,证明施加在Y轴方向的应力起了决定性作用。针对实验上观测到的载流子迁移率降低问题,我们根据电子有效质量的计算结果进行了合理地解释,发现载流子沿着平行于界面的方向迁移率较高。这些预测结果充分展示了此异质结可用于实现全新功能化集成的单层材料器件。(2)提出了一种全新的双向异质结构型,即利用半导体型γ-graphyne单层进一步吸附修饰MoSe_2/WSe_2横向异质结表面,并系统地研究了其几何结构和电子结构。在平滑的MoSe_2/WSe_2横向异质结的表面上,我们得到了一种带隙减小的周期性褶皱的γ-graphyne层状结构。这几种二维异质结体系由于层间弱耦合作用可以实现直接-间接带隙的转变。我们的研究结果还证实了双向异质结的受激电子和空穴在产生之初就被有效地空间分离开,上层吸附的γ-graphyne可以作为载流子的传输通道,进一步保证了此体系的量子效率。(3)基于砷烯和锑烯,设计构建了一种具有干净整齐的"界线"结构的AsmSbn横向异质结,并通过分子动力学和声子谱的计算揭示了其优秀的稳定性。我们的研究结果表明,As/Sb横向异质结除了具有减小的直接带隙外,同时还具有II型能带对齐方式、较高的载流子迁移率以及应力可调谐的电子结构等特性。外部应力也可以实现能带的有效连续性调控。而且,研究发现获得具有直接带隙特征的As/Sb横向异质结所要满足的临界基材组分比例关系(m/n<4)。因此,我们的研究不仅拓展了横向异质结候选材料的种类,而且突出强调了这种集诸多优良特性于一身的横向异质结单层材料在未来电子学领域的极大潜力。(4)设计并研究了新型1S-MX_2横向异质结的几何结构稳定性及其电子性质。表明自旋轨道耦合作用使体系本身在r点附近打开了一个65 meV的非平庸能隙,为实现室温实验观测和应用提供了条件。基于体系镜像陈数(nM=-1)和两个方向上纳米带所对应边界态的计算结果,我们确定了 1S-MX_2横向异质结是一种拓扑晶态绝缘体并具有难得的稳定性。应力可以引起1S-MX_2横向异质结发生有趣的拓扑相变。该研究不仅构建了全新稳定的横向异质结体系,同时也在横向异质结领域揭示了全新的物理性质。(5)基于二维1S-MoSe_2和1S-WS_2单层材料,构建了具有良好稳定性的1S-MX_2横向异质结体系。自旋轨道耦合作用使体系内部打开一个可观的能隙。研究表明外部应力作用可以有效地调控1S-MX_2横向异质结实的能带结构并导致相变。此外,我们的研究还表明黑磷单层材料提供的基底效应能有效降低1S-MX_2横向异质结外延生长时的形成能。二者所构建的双向异质结为II型能带对齐方式,在多功能集成纳米器件中有广阔的应用前景。此外,更宽组分材料组成的此种横向异质结依然保持了强健稳定的电子结构特性。(6)设计研究Mo_2C单层材料作为锂、钠离子电池负极材料的性能表现。从电极材料的容量、充放电速率、稳定性、平均电位变化等关键指标出发,我们对Mo_2C单层材料进行了全方位的评估。在锂离子和钠离子吸附后,体系依然保持了金属性,保证了良好的导电率。研究结果显示,此单层材料同时满足锂、钠离子电池的要求,不仅具有极佳的电极容量(526 mAh·g~(-1)),还具有较低的离子迁移势垒。因此,可作为优秀的负极候选材料。而且我们以锂离子吸附构型为例深入讨论了金属离子在Mo_2C表面的吸附机理,揭示了其极佳稳定性的根本原因。(7)利用金属卟啉有机分子构建两种具有不同链接方式的二维金属有机框架结构(M-PPO和M-PP45),并系统地研究它们的电子及磁学特性。研究发现,不同于传统稀磁半导体的情况,过渡金属原子可以在卟啉和酞菁组成的二维有机框架结构之中保持规律分散的分布。而且,不同过渡金属原子(Cr-Zn)的引入可以有效地调控这些二维有机框架结构的电子和磁性耦合性质,使其具有规律的磁排布。其中Mn-PPO二维结构同时具有长程铁磁性耦合和半金属特性,而且此结构理论模拟得到的居里温度高达320 K。这些都表明此种结构将可作为自旋电子器件的候选基材。(8)基于金属卟啉和金属酞菁两种有机分子,构建了两种不同的一维分子链结构。通过置入不同的过渡金属原子后可以获得完全可控的磁有序结构。我们的研究表明不同相邻过渡金属原子的配置可以获得更多具有长程铁磁性耦合和半金属特性的低维纳米材料。利用键传递和空间传递的竞争作用机制,我们深入讨论和解释了不同纳米结构的磁耦合机制。
汤儆[9]2002年在《表面金属纳米结构体系的电化学、STM针尖诱导和模板法构筑及其表征》文中认为当物质的尺寸进入纳米级的尺度时，将出现量子效应、小尺寸效应和表面及界面效应而呈现出既不同于宏观物体、也不同于单个原子的奇异现象。纳米科学与技术是研究和利用这一尺度上物质特性的多学科交叉的前沿和热点领域。纳米材料是纳米科学技术的基本组成部分，它是由叁维空间中至少有一维处于纳米尺度范围的基本单元构成的材料，这一基本单元称为纳米结构。纳米微粒、纳米管、纳米棒和纳米薄层等都是纳米结构。若将它们按规律有序排列，则可以组装出常规体系不具备的物性。它们不仅具有单个纳米粒子的各种效应，而且还将出现许多如量子耦合效应与协同效应等新现象。 运用化学和物理等多种手段实现纳米至原子尺度范围的有序表面纳米结构的人工和自然构筑，是从结构到性能表征、研究和利用其物理化学基本性质的必要前提。遵循能量最低原理的自然构筑法可大面积制备表面纳米结构，而利用各种局域作用的人工构筑法则可“由下而上”按意愿构筑各种表面纳米结构并进行有关原理性探索。 电化学沉积方法具有简便、控制灵活等特点，是大范围制备表面金属或半导体纳米结构的一种有效的自然构筑法。依据沉积金属与基底表面的相互作用，金属的电化学沉积可以发生在其热力学平衡电位以负的过电位或以正的欠电位区间。当沉积金属与基底表面不具有强的结合能时，该金属的电沉积将在过电位区发生。控制条件使其按瞬时成核的机理进行，可制备较为均匀的表面金属纳米颗粒。若沉积金属与基底表面存在强的结合能，则可在欠电位区生成金属的(亚)单层。由于金属欠电位沉积本质上是一种特殊的电吸附过程，所形成的金属(亚)单层吸附层的结构强烈地依赖于电极表面的结构以及溶液中其它物种吸附的影响，可视为金属的电化学外延生长过程。 SPM(STM或AFM)作为一强有力的表面分析工具不仅是观察、认识原子分子世界的工具，也是实现表面修饰，甚至进行原子、分子操纵的重要手段。SPM针尖与表面存在各种相互作用，是对被研究表面的一种局域微扰，这种微扰在温和的电化学和隧道偏压条件下便可诱导电极表面发生特定的局域电化学反应。据此，可逐点构筑表面纳米结构，是一种先进的人工构筑法。 多孔氧化铝模板法借助自然构筑法和人工构筑法的概念，先自然地形成具有纳米尺度 摘要的有序孔洞(道)，再人为地用物理或化学的方法向其内注入所需的材料，可大面积制备大小或长径比可调的纳米点、纳米线或纳米管，被认为是一种低投入高产出的制备大面积纳米线阵列体系的有效方法，尤其适合用于制备直径为15一100lun的纳米线阵列。 虽然目前对纳米材料研究已是如火如茶，但是固体表面纳米结构的制备和物理化学研究则仍然较为少见，因此，需要实验和理论方法的创新和发展。本论文运用电化学，电化学扫描隧道显微镜(ECSTM)针尖诱导和模板法自然地和人工地构筑表面纳米结构，从简单的金属纳米粒子体系，拓宽到按意愿构筑表面有序纳米粒子阵列，从一维的纳米粒子体系拓宽到有序二维纳米结构体系;同时运用R滋man光谱和扫描电化学显微镜(SECM)等多种表面分析工具对有关纳米结构和性能进行初步的表征。主要研究内容和结果摘要如下:一、电化学瞬时成核法构筑HOPG表面Au纳米粒子 高序热解石墨(HOPG)电极表面具有原子平整度，可认为是理想的单晶碳电极。HOPG具有非常低的表面自由能，因此与沉积金属原子之间的结合能很小。这时金属的电化学沉积将发生在过电位区，并将遵循叁维岛状生长的模式(volmer.w七bor模式)。控制条件可使金属电沉积按瞬时成核的机理进行。据此可制备尺寸较为均一、排列较为有序的表面Au纳米粒子阵列。我们从在HAuC肠溶液中Au向HOPG表面过电位沉积的成核和生长机理着手，借助轻敲模式原子力显微镜，探讨阶跃电位、基底处理等方面对An纳米粒子的形成及其尺寸和形貌的影响，并用电化学方法和表面增强拉曼光谱(SERS)技术初步研究了Au纳米粒子体系的电催化性能和光学效应，主要结果归纳如下:l)右况农寮件对A“动苯狡子尺寸掀形脱啪居时轻敲力模式AFM研究表明，Au在 HOPG表面电沉积605后的尺寸和形貌按沉积电位分为四种情况:0当电极电位控 制在0.3V(vs.SCE，下同)以正的电位范围，An粒子以各向同性方式生长，形成亚 微米尺寸的半球形Au粒子，粒子密度很小并且在电极表面比较分散;(ll)电位在0.3 V附近，由于该电位处于该体系的零电荷电位附近，Cl一从电极表面脱附，Au的沉积 表现为各向异性生长，形成棱角分明的多面体An纳米粒子;(m)恒定电位在0.3v- 一3v时沉积得到尺寸减小至几十纳米的半球形An粒子，但分布密度增大;(W)在众3II摘要V附近，沉积受到氢气在表面轻微溢出的影响，从而避免相邻粒子的扩散区间内的相互交盛，沉积得到的Au纳米粒子的尺寸分布狭窄，是构筑Au纳米粒子体系的理想条件。幻演面.Au动装对子村右艘钻疗汤及君.关尺寸拉彭时以乙二醉电氧化为探针反应，比 较了不同尺寸Au纳米粒子的电催化效应。研究表明，控?
潘长宁[10]2014年在《低维量子结构中的热电性质及其调控研究》文中提出随着材料科学技术的快速发展，新型纳米材料和纳米器件越来越引起了人们的关注。由于纳米体系的量子尺寸效应，纳米材料和纳米器件通常展现出一些奇特的物理性质，因而在纳米电子学、自旋电子学等诸多科学领域中有着广泛的应用前景。另外，由于纳米集成电路的集成化程度越来越高，集成电路工作时不可避免地产生“废热”，如何将这些“废热”及时散发出去已成为该领域发展的一个瓶颈，其中一个既节能又环保的方法是利用高性能的热电材料，将产生的“废热”转化为电能合理地利用。本论文采用Landauer输运理论和散射矩阵相结合的方法、非平衡格林函数方法、分子动力学方法，研究了纳米结构和器件中声子的热输运性质、电子电导性质以及器件的热电转换性质，获得了一些有意义的结果。首先，利用非平衡格林函数方法和Landauer输运理论理论相结合，研究了石墨烯纳米异质结的弹道热电转换性质。研究表明不同的异质结对声子热导具有相似的影响，即热导值在常温下具有相似的变化趋势，且远小于相同宽度的理想石墨带的热导，并且随着温度的升高，热导不断增加。同时，我们发现由于异质结的两端宽度不同，导致声子的透射谱中出现了非总数量子化热导现象。然而，电子的透射对异质节的结构非常敏感，强烈地依赖于结构的几何细节。不同的结构会导致电子透射出现不同的振动，这种振动大大加强了系统热电转换的功率因子（the thermopower）。因此压缩的热导和加强的功率因子使系统具有很高的热电转换效应，在室温T=300K，其ZT因子可以达到0.6。其次，通过分子动力学模拟，我们研究了石墨炔纳米带的热导性质，发现石墨炔的热导性质具有很强的各向异性，对于具有相同尺寸（宽7.6nm长17nm）的石墨炔纳米带，armchair型纳米带（AGYNR）比zigzag型纳米带（AGYNR）的热导要高出15%，并且随着宽度的减少呈现增加的趋势。通过声子的色散关系对比，我们发现这种各向异性的热导性质是由于armchair型纳米带比zigzag型纳米带具有更高的声子群速度和更多的声子通道引起的，因此这种各向异性是材料本身固有的。这一研究结果对石墨炔纳米带在纳米电子学领域和热电转换领域的应用有重要的意义。接下来，在弹性连续模型近似下，采用模匹配技术，利用散射矩阵方法和Landauer输运理论相结合，研究了T型砷化铟（InAs）纳米线的声子输运、电子输运和热电转换性质。在计算声子热导时，我们分别计算了SH波、P波和SV波等叁种波模的透射情况。结果表明，在温度极限T0时，热导趋向于普适的量子化值2k2BT/3h，且这些量子化值跟T型节的几何结构参量无关。但由于T型截面的散射，各种波模的热导都被极大地压缩，尤其是P波压缩得最厉害，因此其对总的热导贡献最少。系统总的热导也远小于理想的纳米线。另外，由于T型节对载流子的滤波效应致使电子的传输态密度发生局域形变，从而加强了热电转换的功率因子。高的热电因子和低的热导值使T型砷化铟纳米线具有很好的热电转换性能。研究表明其ZT因子可以在0.31.9之间进行调控。这种可以调控的热电性质对将来纳米热电装置的设计有很大的用处。然后，利用非平衡格林函数方法，我们对弯曲型石墨烯纳米带的热电性质进行了系统的研究，研究表明：不管是对两极都是zigzag型石墨烯纳米带的ZZ-GNRs，还是对两极是armchair型石墨烯纳米带的AA-GNRs，由于在中间散射部分zigzag纳米带与armchair型纳米带交替排列，从而引起了电子的共振射穿效应，保持了高的电导传输性质。另一方面，由于不同手性的石墨烯纳米带中声子模的不匹配和弯曲部分的表面散射作用，导致声子热导大大减少。因而，这些因素导致了弯曲型的纳米带具有很高的热电性能，并且这种热电性能可通过结构参数来有效调控。最后，利用非平衡格林函数方法和朗道输运理论相结合，我们系统地研究了硼氮纳米量子点的热电性质。研究结果表明：量子点系统的声子透射谱被有效地压缩，其声子热导大幅减少。另一方面，电子的透射出现了震荡现象，因而加强了体系的热电动势。加强的功率因子和被压缩的热传输性质，使得系统具有高的热电性质。本研究结果对高性能纳米器件的设计有一定的参考价值。
参考文献：
[1]. 低维纳米结构体系的电性质和应力效应[D]. 丁建文. 湘潭大学. 2003
[2]. 新型二维材料的自旋极化、量子自旋霍尔效应和半导体性质的电子结构及调控[D]. 李新茹. 山东大学. 2017
[3]. 低维纳米体系载流子弹性输运性质的研究[D]. 叶伏秋. 湖南大学. 2010
[4]. 基于零维纳米体系的结构设计与构筑、性能调控及应用研究[D]. 曾杰. 中国科学技术大学. 2007
[5]. 低维纳米结构体系的磁性[D]. 顾建军. 河北师范大学. 2011
[6]. In_2O_3(ZnO)_m电子结构及其纳米材料电子输运性质研究[D]. 温静. 哈尔滨工业大学. 2016
[7]. 半导体纳米结构的表/界面以及光电性质的调控研究[D]. 贺言. 湖南师范大学. 2017
[8]. 几种新型二维材料的结构设计及其电子相关性质研究[D]. 孙启龙. 山东大学. 2017
[9]. 表面金属纳米结构体系的电化学、STM针尖诱导和模板法构筑及其表征[D]. 汤儆. 厦门大学. 2002
[10]. 低维量子结构中的热电性质及其调控研究[D]. 潘长宁. 湖南大学. 2014
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