硅烯和硼烯的生长机制、缺陷及电子性质调控

摘要

硅烯是具有六角蜂窝状结构的硅的单原子层。近几年来引起了人们高度的关注。硅烯具有类石墨烯的优异电子性质，例如费米能级附近线性的能带色散关系、高的载流子迁移率等。此外与石墨烯相比，硅烯具有更强的自旋轨道相互作用和更好的能带可调节性，因此有望应用在未来的纳米电子器件中。硼烯是硼的单原子层，具有金属的电子特性，其出现丰富了单质二维原子晶体的世界。
　　结合密度泛函理论计算和实验扫描隧道显微镜(STM)观察，我们对Ag(111)表面上外延硅烯中的点缺陷进行了系统地研究。指认出实验上观察到的一些点缺陷对应的原子结构。结合缺陷的形成能计算和统计学分析给出温度为500K时(硅烯生长温度通常为480-550K)不同硅烯超结构中点缺陷的平衡浓度。在500K下，√13×√13硅烯中单空位和双空位缺陷的浓度高达约5.0×1013 cm-2，且两个单空位缺陷可以在硅烯中迅速扩散并合并成一个双空位缺陷。空位缺陷的高浓度和低的扩散势垒解释了实验上外延√13×√13硅烯富含缺陷的特征。相比之下，4×4硅烯中缺陷浓度仅为107cm-2，被认为是未来纳米电子器件应用中的首选。
　　介电衬底对硅烯电子性质的影响对于硅烯在未来的纳米电子器件中的应用是一个很重要的问题。本文通过第一性原理计算研究了惰性介电衬底对硅烯电子性质的影响。发现在六角氮化硼(h-BN)单层和氢饱和的SiC(0001)面的硅面(Si-SiC)上硅烯的狄拉克锥能够很好地被保持住，而在氢饱和的SiC(0001)面的碳面(Si-SiC)上硅烯狄拉克锥却被破坏了。分析指出衬底的功函数是硅烯和衬底间电子态耦合的决定因素，从而为硅烯在器件应用中衬底的选择和电子性质调控提供了理论判据。此外，在双层硅烯中插层碱金属原子可以削弱两层硅烯间强的相互作用并提高体系的稳定性。特别地，钾插层不仅可以使双层硅烯中再现狄拉克锥，还可以在狄拉克锥处打开一个可观大小的带隙，为双层硅烯在未来纳米电子器件中的应用提供了新的途径。
　　利用第一性原理计算，我们预测了硼烯在Cu(111)表面上的生长。在Cu(111)表面上，硼团簇倾向于形成平面的结构且其形成能随尺寸的增大而单调减小，而且单个硼原子在Cu(111)表面上的扩散势垒很小。这些保证了平面硼团簇在Cu(111)表面上的连续长大。在生长的过程中，六边形洞可以很容易地在硼团簇的三角形格子边缘产生并进一步向团簇内部扩散。所以六边形和三角形混合的硼单层有望通过直接沉积硼原子或者小的平面硼团簇到Cu(111)表面来获得。我们的理论预测促进了该领域的实验发展。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 硅烯

1．1．1 硅烯的历史、结构和稳定性

1．1．2 硅烯的基本性质

1．1．3 硅烯的实验合成进展

1．1．4 硅烯的理论研究进展

1．1．5 硅烯的应用前景

1．2 硼烯

1．2．1 硼烯的提出与理论预测

1．2．2 硼烯的实验合成

1．3 本文的研究意义

1．4 本文主要研究思路

2 理论基础

2．1 密度泛函理论

2．1．1 理论背景

2．1．2 Hohenberg-Kohn定理

2．1．3 Kohn-Sham假设

2．2 交换关联泛函

2．2．1 局域密度近似

2．2．2 广义梯度近似

2．3 VASP软件包简介

3 Ag(111)表面上外延硅烯中的点缺陷

3．1 引言

3．2 计算方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 4×4硅烯中点缺陷的结构与其STM对应关系

3．3．2 √13×√13硅烯中点缺陷的结构与其STM对应关系

3．3．3 点缺陷在外延硅烯中的扩散行为

3．3．5 基于缺陷浓度解释不同硅烯超结构的实验表象

3．4 本章小结

4 绝缘衬底对硅烯电子性质的影响

4．1 引言

4．2 计算方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 硅烯与衬底间的范德瓦尔斯相互作用稳定硅烯的几何结构

4．3．2 硅烯和衬底间的弱作用导致电子态密度的简单叠加

4．3．3 功函数是衬底对硅烯电子性质影响的关键因素

4．4 本章小结

5 碱金属插层双层硅烯

5．1 引言

5．2 计算方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 双层硅烯中狄拉克锥的缺失

5．3．2 碱金属插层实现狄拉克锥的修复

5．4 本章小结

6 硼烯在Cu(111)表面上生长的预测

6．1 引言

6．2 计算方法

6．3 结果与讨论

6．3．1 硼单层在Cu(111)表面上可以稳定存在

6．3．2 Cu(111)表面上硼团簇的结构

6．3．3 硼团簇边界原子与金属表面间较强的相互作用

6．3．4 硼烯在Cu(111)表面上的生长行为

6．4 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介