二维金属有机框架材料电子结构和磁学性质的第一性原理研究

摘要

材料在我们的生产生活中有重要应用，也推动着人类科学技术的发展。具有二维平面结构的石墨烯，自发现以来，它独特的分子结构和优异的物理性能使其成为电子信息、物理学、材料学等领域的热门研究课题。受石墨烯的启示，新型二维材料受到越来越多的关注，成为国际学术界的研究热点。作为二维材料家族新成员的金属有机配体框架材料由于具有结构和功能可调、活性位点多、比表面积大等独特性质，在能源和电子器件等领域具有巨大的应用前景。在这些领域中，很多研究者利用各种物理或化学手段积极探索具有特定功能的新型二维材料，尤其是在自旋电子学中具有重要的应用价值的磁性金属有机框架材料。然而，仅仅依靠实验探索势必需要极高的成本。基于量子力学的第一性原理理论模拟可以设计符合要求的模型，使被模拟体系的特征和性质更接近真实情况，而且还能极大的缩短实验周期并降低实验成本。因此，它在材料的设计、合成、模拟计算等许多方面都有重要应用。本文便是利用基于密度泛函理论的第一性原理计算对具有一些配位成键构型的二维金属有机框架材料的电子结构和磁学性质进行了研究。本文共分为四章内容。
　　在第一章中，我们先对物质的磁学性质做了简要的介绍，着重介绍了铁磁性与反铁磁性以及自旋阻挫态的特征。由对磁学性质的研究引至研究纳米尺度下的自旋电子学材料，包括半金属铁磁体及双极磁性半导体材料。其次介绍了我们在本文研究中使用的主要理论方法和计算工具，包括密度泛函理论及VASP软件包。
　　第二章我们对由一系列过渡金属和含有S基的有机配体Cu3(C6S6)形成的TM-Cu3(C6S6)(TM=Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Cu3(C6S6)=benzenehexathiol,缩写为BHT）体系进行了系统的研究。在这种体系中，我们主要研究了具有铁磁基态的Co-BHT和具有自旋阻挫基态的Mn-BHT。前者是金属材料，后者通过载流子掺杂调控，可以实现半金属铁磁序。二者都具有很高的居里转变温度，它们对推动二维材料在实际中的应用具有重要意义。
　　在第三章中，前半部分我们依据实验研究了碱金属原子(Na、K)与2，3，6，7，10，11-Hexabromotriphenylene(C18H6Br6)配体在Au(111)衬底上的配位构型。通过理论分析与计算，我们证实了金衬底上的C18H6Br6分子与碱金属之间的相互作用是一种卤键，R-Br作为路易斯碱，金属作为路易斯酸，二者相互作用会形成一个90°-120°的角度。我们还分析了在Au(111)衬底上Na-C18H6Br6形成四配位构型，K-C18H6Br6形成六配位构型的可能原因。后半部分我们利用密度泛函理论计算了单层的K-C18H6R6(R=Cl，Br，I)体系。二维K-C18H6R6具有特殊的能带结构，其中，K-C18H6Br6与K-C18H6I6是潜在的双极磁性半导体，K-C18H6Cl6是半金属。我们还尝试了施加应力及载流子掺杂来调控磁性。
　　第四章我们主要寻找并设计了一些可能具有半金属特点的二维金属有机构型。第一部分我们提出了由过渡金属Mn原子和有机配体C12X6N6H6形成的新型的二维材料Mn3(C6X3N3H3)2和Mn3(C6X6)(C6N6H6)(X=S，O)，理论计算发现它们除了具有半金属的特点，还具有很高的居里温度。第二部分提出了一种Mn3C12Br12结构以及几种具有不同配位的MnxCySz结构。研究结果表明这类结构较高的居里温度，遗憾的是这类结构在温度升高后并不稳定。这些研究为后续实验上和理论上研究类似半金属材料提供了支撑。
　　综上所述，我们利用密度泛函理论对不同形式二维金属有机框架体系的电子结构和磁学性质进行了第一性原理计算，这些工作不仅揭示了二维金属有机框架体系在电子态和磁学性质中具有某些新奇的性质，扩展了人们对这类材料的认识，还为后续更多理论和实验上可行性结构的提出与研究奠定了基础。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 物质磁性的基本知识

1．2．1 物质的磁性

1．2．2 铁磁性

1．2．3 反铁磁性

1．2．4 自旋阻挫

1．3 自旋电子学材料

1．3．1 自旋电子学简介

1．3．2 半金属铁磁体简介

1．3．3 双极磁性半导体简介

1．4 密度泛函理论

1．4．1 引言

1．4．2 从Born-Oppenheimer绝热近似到Hartree-Fock方程

1．4．3 电子密度泛函理论

1．4．3 交换相关能量泛函

1．4．4 DFT+U

1．5 蒙特卡洛(Monte Carlo)模拟

1．6 模拟计算软件包简介

第2章 二维过渡金属锰-硫基有机配体致密Kagomé体系理论研究

2．1 研究背景

2．2 结构模型与计算细节

2．3 结果与讨论

2．4 小结

第3章 二维碱金属-卤素有机配体孔洞自组装体系理论研究

3．1．1 研究背景

3．1．2 结构模型与计算细节

3．1．3 结果与讨论

3．1．4 小结

3．2．2 结构模型与计算细节

3．2．3 结果与讨论

3．2．4 小结

第4章 二维过渡金属有机配体孔洞体系理论研究

4．1．1 研究背景

4．1．2 结构模型与计算细节

4．1．3 结果与讨论

4．1．3 小结

4．2．1 研究背景

4．2．2 结构模型与计算细节

4．2．3 结果与讨论

4．2．4 小结

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果