硅碳烯纳米带的电子结构及电场效应的理论研究

摘要

材料是人类文明进步的标志，是科学技术进步的基础和先导，而纳米材料是当今世界重大科技决策的必然选择。随着凝聚态物理和纳米材料领域的重要进展，半导体微结构、高温超导HTS材料、新型热电材料与温差发电、光子晶体以及其他新材料正在逐渐兴起。而其中的硅碳烯纳米材料正属于当前研究的热点，同时也面临着巨大的机遇和挑战。由于其具有优异的热物理性质，因此便于制备高温高功率的应用。由于其具有的宽带隙，因此在研究光学和电学结构方面是个热门领域。
　　本文的研究采用CASTEP软件包和模守恒赝势下的第一性原理计算方法，建设超薄的超胞模型，以密度泛函理论为基础对硅碳烯纳米带的电场效应能带结构以及硅碳烯纳米带的色散曲线和声子振动谱进行了系统的研究。研究的有如下内容：
　　首先采用平面波赝势方法第一性原理对硅碳烯纳米带进行几何结构优化和电子结构计算。研究三种窄锯齿形硅碳烯纳米带,分别为2ZSiCNR、3ZSiCNR和4ZSiCNR。在计算电子结构时，选择不同电场强度，分别计算其自旋极化、能带结构和态密度。具体研究了锯齿型硅碳烯纳米带的边缘结构对能带，特别是费米面附近的导带和价带电子的影响，计算了三种不同宽度的硅碳烯纳米带的能带及费米面附近不同自旋的电子在原胞中的分布情况。结果显示宽度对费米面附近不同自旋的电子分布的影响不同，并且考虑2ZSiCNR带隙宽度随所加电场增大而减小，3ZSiCNR和4ZSiCNR结构加自旋后在费米面附近发生自旋退简并，体现自旋半导体性质，加正向电场能带自旋分开发生劈裂，加反向电场带隙增大，说明锯齿形硅碳烯纳米带内部存在自建电场。
　　其次，利用密度泛函微扰理论计算出硅碳烯烯纳米带的声子振动谱和相关的声子色散曲线。根据观察声子的色散曲线以及声子的态密度，这些特征频能够判断硅碳烯纳米带结构的稳定性。
　　最后，对本论文的研究工作进行总结。硅碳烯纳米带内部的自建电场会抵消或增强外部电场的影响。硅碳烯带隙较大，表现为半导体性，而一维硅碳烯纳米带带隙随宽度变化，进而产生电场效应。硅碳烯纳米带的这些独特性质可以用于功能器件设计和超级电容的应用。

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第一章 绪 论

1.1 硅碳烯概述

1.2 硅碳烯的制备方法

1.3 碳化硅一维纳米材料的性质

1.4 碳化硅一维纳米材料的研究现状及其应用前景

1.5 主要研究内容

第二章 计算方法

2.1 密度泛函理论

2.2 计算软件

2.3 计算流程

第三章 硅碳烯纳米带的电场效应

3.1 引言

3.2 模型和参数

3.3 计算结果分析

3.4 本章小结

第四章 硅碳烯纳米带稳定性的理论研究

4.1 引言

4.2 计算模型和参数

4.3 计算结果与分析

4.4 本章小结

第五章 总结和展望

参考文献

致谢

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