过渡金属吸附类石墨烯碳氮纳米带的DFT+U研究

摘要

二维类石墨烯碳氮纳米材料（g-CN）在实验上已经成功制备，它具有与石墨烯相似的蜂窝状结构，而且它的导带底和石墨烯的导带底都是由材料中所有原子的pz轨道所组成的反键态。不同于石墨烯的是，g-CN是由两个不等价的CN六元环为最基本的构成单元。在g-CN中，g-CN中的C=N键能够提供额外的孤对电子，它占据了价带顶的位置，这样g-CN上被期望会有独特且引人注目的性质使其在电子器件中发挥的潜在应用。边缘由H原子钝化的锯齿状类石墨烯（Zg-CNNRs）是一种无任何固有磁矩的非磁性半导体材料。在这种情况下，在它上面引入磁矩是必要的。一种简单的方法可能是在其上引入自旋极化的过渡金属原子，这种方法也被广泛的使用在其它相似的体系中。此外先前的研究表明g-C3N4，一种与g-CN结构类似的材料，在其上可以规律的嵌套过渡金属原子，从而有效地调控它的电子、磁性和光学性质。由于g-CN具有孔洞更大，这样就更有利于捕获原子。因此我们尝试用过渡金属原子（Sc、Ti、V、Cr、Mn）吸附在纯的锯齿型类石墨烯碳氮纳米带从而调控其性质。
　　基于DFT+U的研究方法，我们研究了3d过渡金属（Sc、Ti、V、Cr、Mn）吸附调控类石墨烯碳氮纳米带(Zg-CNNRs)的几何结构、电子结构及磁性特征。计算结果表明，这些过渡金属倾向于吸附在Zg-CNNRs的大孔洞内，而且可以稳定吸附。我们对所有吸附体系的最稳定的结构的几何结构、电子和磁性特征进行了系统地讨论：在几何结构方面，由于过渡金属原子的掺入，使得结构的会有些不可避免的姜泰勒畸变，但是它仍然保持其平面的结构；在电子性质和磁性方面，原本是非磁性半导体的纯Zg-CNNRs由于过渡金属的引入变成了是磁性金属材料，而且磁性主要集中在过渡金属原子上；这些结构和电子学、磁学性质的改变可以归因于过渡金属的3d轨道和Zg-CNNRs的2p轨道杂化。此外通过对比2个过渡金属原子在相邻孔洞和相同孔洞的吸附能的大小，发现过渡金属可以规则的单个的吸附在孔洞中而不形成团簇。通过对比过渡金属吸附的二维纳米片g-CN的性质，我们发现体系的总磁距有差异；过渡金属之间的磁耦合方式也不同；导致一维和二维吸附的性质不同的原因很大程度上源自量子尺寸效应的影响。

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第一章 绪论

1.1 石墨烯性质及应用

1.2 过渡金属原子的引入对石墨烯及其纳米带性质的调控

1.3类石墨烯的性质及应用

1.4过渡金属原子的引入对类石墨烯及其纳米带性质的调控

1.5 本文研究的主要内容

第二章理论计算方法

2.1第一性原理

2.2 多粒子体系

2.3密度泛函理论

2.4交换-关联泛函

2.5 VASP计算软件及相关的计算方法

第三章 第一性原理研究3d过渡金属在Zg-CNNRs上的吸附

3.1研究背景

3.2 计算方法

3.3 过渡金属的吸附对几何结构、电子和磁性性质的调控

3.4 本章小结

第四章 过渡金属原子及其二聚体在Zg-CNNRs上的吸附

4.1 研究背景

4.2 计算方法与模型

4.3过渡金属在Zg-CNNRs 孔洞内的吸附

4.4本章小结

第五章 总结

参考文献

致谢