掺氮N型超纳米金刚石的第一性原理研究

摘要

掺氮N型超纳米金刚石薄膜因其低的电子亲和势，极低的表面吸附特性、化学惰性，高的热导率和电导率等优秀性能，已成为全新的冷阴极材料研究中的热点。但目前，对于超纳米金刚石薄膜的尺寸以及氮掺杂对于其结构及电学性质之间的关系还几乎没有了解。本文采用基于密度泛函的第一性原理研究，重点研究了晶界中无定形碳含量和掺杂氮原子对超纳米金刚石的结构与电学性质的影响，该结果有望为实验上制备出具有优异电子发射性能的掺氮 N型超纳米金刚石薄膜阴极提供了一定的理论支撑。
　　实验结果表明：（1）对超纳米金刚石结构的研究发现：晶界含量的增多会增加超纳米金刚石结构中C=C双键的数量，并且结构中sp2-C的含量增多，sp3-C的含量减少；（2）模拟超纳米金刚石的能带结构的影响可以看出，晶界含量的增加会使超纳米金刚石的带隙减小，并且会在带隙中引入与 sp2-C相关的π*能级和与悬键相关的d.b.能级，减小电子从低能级往高能级跃迁的势垒，增大导电性；（3）计算超纳米金刚石的态密度发现，晶界含量的增多会使超纳米金刚石的态密度为零的区域逐渐减小，并且在π*能级和d.b.能级处的态密度值有所升高，增高电子在带隙中占据的可能性，增强导电性；（4）模拟掺氮对超纳米金刚石的结构影响表明，掺杂氮原子会使超纳米金刚石中晶界含量增多，增加超纳米金刚石中未成键碳原子的含量和C=C含量，并且会使结构中sp2-C含量增多，使金刚石晶粒减小；（5）研究掺氮超纳米金刚石的能带结构发现，掺杂氮原子会在超纳米金刚石薄膜的带隙中引入杂质能级，减小电子跃迁势垒，增强超纳米金刚石的导电性；（6）进一步计算了掺氮对超纳米金刚石态密度的影响，可以知道掺杂氮原子不仅仅是会在超纳米金刚石的能带结构中引入杂质能级，更重要的加深超纳米金刚石自身的缺陷能级，使电子在带隙中出现的概率增加，从而使超纳米金刚石的导电性增加。

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1 绪论

1.1 金刚石的结构与性质

1.2 掺氮N型超纳米金刚石薄膜研究现状

1.3 半导体导电及金刚石薄膜阴极

1.4 课题来源及主要内容

2 基本理论方法

2.1 第一性原理计算方法概论

2.2 密度泛函理论

2.3 交换关联泛函

2.4 周期性边界条件

2.5 VASP程序介绍

3. 不同晶界处碳含量对超纳米金刚石的影响

3.1 模型的建立及计算参数的设定

3.2 不同晶界处碳含量对超纳米金刚石（ 100）面的影响

3.3 不同晶界处碳含量对超纳米金刚石（ 110）面的影响

3.4 不同晶界处碳含量对超纳米金刚石（ 111）面的影响

3.5 本章小结

4 掺氮对超纳米金刚石的影响

4.1 模型的建立及计算参数设定

4.2 掺氮对超纳米金刚石（ 100）面的影响

4.3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文及研究成果