锡及其氧化物薄膜材料的电磁和光学性质研究

摘要

本论文计算方法采用基于密度泛函理论的第一性原理投影缀加平面波法，论文中我们主要计算研究了二维SnO2纳米面及锡烯的电子性质和能带结构。
　　首先，我们计算了3d过渡金属原子(Cr, Mn, Fe, Ni)掺杂二维SnO2纳米面的电子性质、能带结构以及光学性质。实验结果表明二维SnO2纳米面结构属于无磁直接带隙半导体材料，带隙大小为2.75eV。研究发现Cr, Mn, Fe原子掺杂SnO2NSs会分别引入2?B,-3?B,2?B的磁矩，而Ni原子掺杂SnO2NSs后结构依旧保持无磁特性。在光学性质方面，掺杂3d过渡金属原子(Cr, Mn, Fe, Ni)后SnO2NSs的光学吸收边发生明显的红移现象。而且在可见光区域内的光学吸收强度、折射率和反射率都有明显提高。这些发现对设计太阳能电池、光电装置和光催化剂有重要应用。
　　其次，论文中我们还进行了3×3锡烯吸附3d过渡金属原子电子性质和磁性的相关计算。研究发现除了V原子外，锡烯吸附TM原子的最稳定位置均处于hollow位。V, Cr, Mn, Fe和Co吸附原子会使锡烯体系引入磁性，磁矩主要来源于TM吸附原子；而锡烯吸附Ni, Cu和Zn原子体系则继续保持无磁特性。V, Cr, Mn,Cu吸附原子会使锡烯表现出金属性质，锡烯吸附Co原子会表现出半金属性质，而吸附 Ni和 Zn原子后高对称点处会打开一定带隙表现出半导体特性。更为重要的发现是，锡烯吸附Fe原子后表现出自旋双极化无带隙磁性半导体性质，这些结果对设计可控自旋电子器件提供理论依据。
　　同时，我们用4×4的锡烯吸附3d TM原子对实验结果进行验证。实验结果表明体系总磁矩、局域磁矩以及电荷转移量与3×3锡烯吸附3d过渡金属原子的计算结果高度一致，从而证明了我们计算结果的准确性。在锡烯应力计算中，我们得出锡烯在承受2％以内的压力时，可以保持自身性质不发生变化，随着压力或拉力的增大，锡烯在高对称点处的能带会呈现规律性变化。
　　在锡烯纳米带计算中，我们分别构建了armchair和zigzag两种边缘类型的锡烯纳米带，并对两种类型不同宽度的锡烯纳米带进行了相应能带计算。实验结果发现armchair边缘类型的锡烯纳米带均表现出直接带隙无磁半导体特性，而且带隙大小呈波浪形趋势变化。而在zigzag纳米带中，只有宽度为2的zigzag2纳米带是无磁的零带隙半导体，其他五种zigzag构型的锡烯均表现出磁性金属特性。zigzag纳米带中的磁矩主要来源于与H原子成键的Sn原子.
　　最后我们研究了锡烯/MoS2异质结的电子性质和能带结构，实验结果表明MoS2衬底可以使锡烯打开一个较大的带隙，带隙范围在71.9-76.5meV之间，并且在狄拉克点处的线性能带色散特性被完整保留。与此同时，我们发现通过改变锡烯与MoS2衬底的层间距离和外加应力，可以实现锡烯带隙大小的有效调节。这些实验结果为我们以后设计锡烯异质结提供了新方向。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 研究内容

第二章 研究方法及理论基础

2.1 密度泛函理论介绍

2.2 交换关联能近似

2.3 平面波基组和赝势

第三章 3d过渡金属原子掺杂SnO2纳米面磁性和光学性质的研究

3.1 本章引言：

3.2 理论模型的建立与计算：

3.3 ：结果与分析

3.4 光学性质：

3.5 本章小结

第四章 3d过渡金属原子吸附锡烯电子性质调控和磁性的研究

4.1 本章引言

4.2 模型建立及计算方法

4.3 结构优化与形成能计算

4.4电子性质和磁性分析

4.5锡烯受力研究

4.6本章小结

第五章 氢修饰对不同锡烯纳米带结构电子性质的研究

5.1 本章引言

5.2计算方法与纳米带模型构建

5.3 电子性质和能带结构

5.4 小结

第六章 锡烯/MoS2异质结电子性质和能带调控的研究

6.1 引言

6.2 模型建立和计算方法

6.3 锡烯/MoS2异质结的电子性质和能带结构

6.4 层间距对异质结能带结构的影响

6.5 外加应力对异质结能带结构的影响

6.6本章小结

第七章 结论和展望

参考文献

致谢

附录