六角氮化硼及磷烯体系的磁电子学特性研究

摘要

近年来，由于石墨烯的成功剥离，打破了人们“二维材料不可能稳定存在”的观点，也因为它具有的各种奇特物理性质，引发了低维材料的研究热潮。单层六角氮化硼和磷烯随后被成功制备。它们都具有十分优秀的电子学性质，并且具有易于调控的特点。通过引入缺陷、边缘修饰和饱和、表面吸附、应变和电场等手段可以将它们调节到需要的磁电子学性质。换而言之，可以获得丰富的磁性结构，比如:磁性金属、半金属、自旋无带隙半导体、半半导体和双自旋极化半导体等等。因此，这些低维材料在自旋电子器件方面的应用具有很大的潜力。 本论文，我们通过基于密度泛函理论的第一性原理计算，系统地研究了由单层六角氮化硼和磷烯构造的新纳米结构的电子和磁电子学性质，并通过应变和电场来调控其性质。旨在为电子和自旋电子器件的研究和设计提供参考。 在绪论中，我们介绍了六角氮化硼和磷烯体系材料的研究进展。随后，我们研究在锯齿型BN纳米带中引入558线性缺陷，发现引入缺陷后的纳米带是高度稳定的。在无磁态下，无论缺陷位置如何，锯齿型BN纳米带的金属性都存在，但不同缺陷位置对其费米能级上的总态密度(DOS)和投影态密度(PDOS)会产生不同的影响。在磁性状态下，当线路缺陷出现在大部分位置时，磁性的热稳定性有很大的提高，甚至能在室温稳定。此外，缺陷带对横向电场的响应与无缺陷带基本上是不同的，并且缺陷在某些位置时半金属性会得到增强。然后，我们研究了通过轴向应变和电场来调控氧边缘修饰锯齿型BN纳米带的磁电子学特性。结果表明，B边中的O二聚使得结构比H饱和时更加稳定，并且它还可以承受超过22％的应变。同时发现，即使在产生应变后依然具有不错的热稳定性。其性质主要取决于O边缘修饰的N边，应变的作用也是通过N边来体现的。应变将引起能带结构和磁性基态变化:调控纳米带从磁性金属(FM态)到无磁金属、自旋无带隙半导体（FM态）和无磁半导体（AFM态）转变。外部电场也可以将其转变为半金属。由于纳米带的非对称结构，固有的电场会因应变和外加电场而改变，并可能成为调节能带结构的重要因素。 我们还研究了过渡金属原子替换性掺杂的扶手椅型磷烯纳米管的磁电子学特性。发现，Ti，Mn，Fe和Ni原子替换性掺杂的APNT都是磁性半导体，其中Ti，Mn和Fe掺杂的是半半导体，但Ni掺杂的是双自旋极化。它们都具有极高的热稳定性和能量稳定性，而只有Mn掺杂的结构稳定性相对较差。特别是，我们发现所有过渡金属原子掺杂都可以达到较高的载流子迁移率，甚至超过103cm2V-1s-1。当对Ni掺杂磷烯纳米管施加电场时，会引起有效质量和形变势的变化，从而大幅度提升Ni掺杂纳米管载流子的迁移率。甚至只需要3V/nm的电场便可以将载流子迁移率调节到104cm2V-1s-1以上。 最后，我们研究了在单层六角氮化硼和磷烯的异质结中嵌入过渡金属原子的磁性。结果表明:V、Mn和Fe嵌入时都具有磁性的，V嵌入为半半导体，Mn嵌入为磁性金属，Fe嵌入为双自旋极化半导体。并且V和Mn嵌入还具有很大的磁矩。而Fe嵌入虽然磁矩很小却可以通过电场将磁矩调节到2μB,并且保持双自旋极化半导体的性质不变。对于无磁金属性的Sc嵌入的异质结，可以通过电场调节使其产生磁性并最终转变为半金属。

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摘要

第一章绪论

1．1自旋电子器件

1．2六角氮化硼

1．3磷烯及磷烯纳米管

1．4异质结

1．5本文的理论研究方法及内容

1．3．1 Born-Oppenheimer(绝热)近似

1．3．2 Hartree-Fock方法与密度泛函理论

第二章558缺陷BN纳米带的磁电子学性质研究

2．1引言

2．2模型结构与理论方法

2．3结果与讨论

2．4小结

第三章轴向应变调控氧修饰BN纳米带的磁电子学性质

3．1引言

3．2计算方法

3．3结果与讨论

3．4小结

第四章过渡金属掺杂磷烯纳米管自旋极化的载流子迁移率研究

4．1引言

4．2理论方法及计算模型

4．3计算结果与分析

4．4小结

第五章过渡金属原子层嵌入六角氮化硼／磷烯异质结

5．1引言

5．2理论方法和计算模型

5．3计算结果与分析

5．4小结

结论

参考文献

致谢

附录