【摘 要】
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随着实验室层状石墨烯的剥离,打破了由于热力学涨落效应而不能稳定存在二维结构的理论预言。二维层状材料以其显著的热学、力学、电学等性能走进了人们的视线,已成为当今科学研究的热点。虽然就目前来说,应用到工业中还有些遥远,但随着实验条件的提高,未来应用到工业生活领域,人们对此信心饱满。尤其对石墨烯来说,超高的载流子迁移率,超好的柔韧性,以及超硬的强度,展示了广泛的应用前景。但是零带隙的电子结构又限制了它的
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随着实验室层状石墨烯的剥离,打破了由于热力学涨落效应而不能稳定存在二维结构的理论预言。二维层状材料以其显著的热学、力学、电学等性能走进了人们的视线,已成为当今科学研究的热点。虽然就目前来说,应用到工业中还有些遥远,但随着实验条件的提高,未来应用到工业生活领域,人们对此信心饱满。尤其对石墨烯来说,超高的载流子迁移率,超好的柔韧性,以及超硬的强度,展示了广泛的应用前景。但是零带隙的电子结构又限制了它的应用,所以人们开始寻求打开石墨烯带隙的方法或者是寻找新的二维材料来代替石墨烯。在研究的过程中,人们在相应二维材料的块体形式上发现了相当有趣的性质。所以本论文,我们采用密度泛函理论和准粒子近似方法对最近涌现的那些具有非常有趣性质的二维层状材料进行了研究,其中包括:1.对IV-VI体系中的低温相硒化锡（SnSe）电子结构进行调控进而提高其热电性能;2.对层状氧化锡（SnO）施加复杂的应变组合来调控电子结构并和高压下的结果进行了比较;3.对高度有序氮掺杂石墨烯C3N进行了系统研究,并通过四种不同堆垛方式的双层和块体结构进行了研究。全文共分为六章,主要内容如下:第一章,主要介绍了二维层状材料在当今科学研究中的意义,四六族层状半导体材料的基本特点,氮掺杂对石墨烯电子结构的影响,以及应变在调控材料晶体和电子结构上的重要作用。阐述了本论文研究的背景与意义,以及主要的研究对象和内容。第二章,主要介绍了我们在理论模拟中使用第一性原理方法,包括密度泛函理论和准粒子近似方法。第三章,基于密度泛函理论和准粒子计算,我们主要是对IV-VI体系中的SnSe电子结构调控进行了探讨研究。硒化锡超高的热电优值的发现引发了大量对此材料的基础物理研究和进一步提升热电效率的设计和方法。基于在这种材料中丰富的化学键,不寻常的电子结构的能谷,以及带边对应变的敏感性,我们对此材料的低温结构在不同应变程度上进行了准确的准粒子计算研究。我们主要解释了能带边缘是如何被晶格应变调整的,包括带隙的大小和性质,能带边缘在布里渊区的位置,以及电子空穴谷的数量调控。不同能带边缘来自于不同的原子或不同的波函数方向,决定了能带能量的相对位置,这样也就有效地控制了硒化锡电子结构的调控。我们的工作表明,应变是一种非常有前途的方式来调节硒化锡的电子结构,这样会对硒化锡在光学和输运性质上有深远的影响。第四章,我们对IV-VI体系中的SnO电子结构调控进行了系统研究。由于不同电子器件中不一样的应用需求,调整半导体的带隙已经吸引了很多的研究兴趣。在这里我们通过密度泛函理论和准粒子近似系统地研究了应变对块体α-SnO晶体结构和电子结构的影响。SnO表现出0.75 eV的间接准粒子带隙,这与实验的带隙结果相符合。带隙的大小对沿面外方向的应变非常敏感,在有面内应变的协助下带隙甚至会闭合,从而引起半导体-金属相变。我们揭示了层间Sn-Sn相互作用和层内Sn-O相互作用对应变下的带隙演化起着非常重要的作用。我们的研究结果丰富了调整材料电子结构的方法,拓宽了 SnO在各个领域的应用范围。第五章,使用密度泛函理论和GW方法系统地研究新出现的蜂窝C3N的层依赖的准粒子能带结构。计算出的单层C3N的GW带隙约为1.5 eV。这种适中的带隙可能是未来电子应用的理想选择。我们的结果与最近0.39 eV的实验报告形成鲜明对比,并需要未来的实验进行验证。使用几种双层模型研究了层间化学耦合对C3N电子结构的影响。双层C3N的电子结构敏感地依赖于层堆叠形式,计算出的准粒子带隙大致范围在0.87-1.35 eV。最后,我们说明了层间化学相互作用和块体介电屏蔽效应对C3N电子特性的影响。依赖于特定的块体堆垛形式,C3N可能是金属的或半导体的,具有约0.6eV的窄间隙,尽管不同的体相在能量上基本上是简并的。因此,制备单相半导体块体C3N可能具有挑战性,除非合成动力学可以某种方式优选或禁止某些堆叠模式。这个问题值得进一步调查。第六章,我们对所做的研究进行了归纳总结,并对SnSe、SnO,以及C3N相关问题进行展望研究。
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