应力对单层cr2c磁电性质影响的理论研究
毕业设计（论文）中文毕业设计（论文）中文 由于二维类石墨烯材料卓越的物理性能，使得其在纳米器件中有着广泛的应用价值。它的导热系数和电子迁移率高于碳纳米管和金刚石，常温下它的电导率比银和铜高，是至今为止世界上电阻率最小的材料。二硫化钼是类石墨烯结构的新型层状化合物，它具有十分特殊的物理结构与化学性质。二硫化钼适用于高温高压下，是一种十分重要的固体润滑剂。另外二硫化钼还具有抗磁性，具有整流和换能的作用，可以用来制作线性光电导体和显示P型或N型导电性能的半导体。由于维数和尺寸减小和量子组合的效果，二维晶体显示出许多有趣的特性，它们因此被认为是未来的纳米电子学和自旋电子学的基石。然而，在所发现低维材料中，很少材料具有磁性，这限制了其在纳米电子学和自旋电子学中的应用范围。在本文中，我们采用密度泛函理论来研究一种类石墨烯二维铁磁材料：Cr2C，这种材料属于MXenes的家族。我们采用第一性原理的方法计算碳化二铬不同结构的能量，并且考虑Cr原子的不同磁序排列，研究发现铁磁的1-T的碳化二铬的具有较低的能量。二维材料Cr2C是一个铁磁半金属材料，而应力是一种常用调控物理性质的方法。我们的研究还发现，通过对该二维材料施加外加应力，可以诱导出金属-绝缘体相变。进一步的研究发现，通过施加不同大小的应力，可以有效地调控该材料的能隙。研究结果揭示一种新的二维材料，这种材料可以调控其磁性，这对其在纳米尺度的自旋电子学和电子学中的应用提供了很好的理论指导。 关键词 二维材料，Cr2C，应力，铁磁性，密度泛函理论中文摘要 Ⅰ目 录
中文摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
第1章 引言 1
1. 1二维材料研究背景 1
1.2 二维材料研究现状 1
1.2.1 石墨烯 1
1.2.2 二硫化钼（MoS2）2
1.2.3 二维过渡金属碳化物或碳氮化物（MXenes） 5
1.3 二维材料存在的问题 6
第 2 章 理论方法和计算步骤 7
2.1 密度泛函理论简介 7
2.2 Kohn-Sham方程 9
2.3 本文计算所用
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
/> 1.2.2 二硫化钼（MoS2）2
1.2.3 二维过渡金属碳化物或碳氮化物（MXenes） 5
1.3 二维材料存在的问题 6
第 2 章 理论方法和计算步骤 7
2.1 密度泛函理论简介 7
2.2 Kohn-Sham方程 9
2.3 本文计算所用的软件包11
2.4 本章小结 11
第3 章 应力对Cr2C磁电性质的理论研究11
3.1计算细节12
3.2 单层Cr2C的理论研究12
3.3应力对单层碳化二铬的影响15
3.4 结论17
展望 18
致谢 19
参考文献20
1 引言
1.1 二维材料及其研究背景
在过去的十年中，石墨烯的发现促使二维（2D）材料的研究激增。由于维数和尺寸减小和量子组合的效果，二维晶体显示出许多有趣的特性，它们因此被认为是未来的纳米电子学和自旋电子学的基石。[1,2]尽管越来越多的二维晶体已经试制，但绝大多数都是非磁性。因此，对二维晶体磁性可调的追求在很长一段时间内是一个持续性的目标。对于石墨烯和单层过渡金属二硫属化物，有人提出诱导磁矩和排序，如表面上沉积磁吸附原子和引入特定缺陷或边缘。然而，在实验实现仍然具有挑战性：例如，吸附原子的聚类总是不可避免的，边缘形态和缺陷类型都没有得到很好的控制。[3]另一个重要的性质是非常理想的二维材料是带隙可调的，尤其是对它们的电子应用，这将允许我们灵活地设计和优化以二维材料为主的设备，如p-n结，晶体管，光电二极管和激光器。
1.2 二维材料研究现状
1.2.1 石墨烯
在2004年，英国曼切斯特大学Geim小组的大学物理学家康斯坦丁.诺沃肖洛夫和安德烈?海姆成功地分离出单原子层的石墨材料--石墨烯，证明了它可以单独存在，两人因此而共同获得了2010年的诺贝尔物理学奖。石墨烯是只有一层分子层的石墨材料，它是一种二维晶体结构材料，它的基本结构单元是稳定的苯六元环，碳原子按sp2杂化轨道在其中组成六角形蜂巢状晶格。理想的石墨烯结构是平面六角形的，每个碳原子都sp2杂化并且贡献一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以在层间自由的移动，这使石墨烯拥有良好的导电性。石墨烯的物理特性十分惊人，电子在石墨烯结构中的运动速度远超在一般导体中的运动速度，在石墨烯中电子的速度可以达到光速的三百分之一，这点尤为引人注目。
图1 二维结构的石墨烯结构图 图2 石墨烯构建各种碳材料的示意图
石墨烯是目前世界上最坚硬并且最薄的纳米材料，它的导热系数和电子迁移率高于碳纳米管和金刚石，常温下它的电导率比银和铜高，是至今为止世界上电阻率最小的材料。因为它电阻率低，电子运输速度快的性质，人们希望可以用它来制作出新一代更薄、导电性更好的电子元件或晶体管。科学家还发现石墨烯中电子的不仅与蜂巢晶之间格存在强烈的相互作用，电子与电子之间也存在强烈的相互作用。石墨烯优秀的导电性尤其适用于高频电路，如今工程师把越来越多的信息填充在信号中，高频电路对现代电子工业的发展尤为重要，石墨烯的出现，使人们对高频提升充满了希望。石墨烯另一个被寄予厚望的领域是太阳能电池领域，因为石墨烯是透明的，所以石墨烯又可以作为太阳能电池和液晶显示屏的材料。石墨烯在化学中也有广泛的应用。因为导电的石墨烯厚度比DNA链中相邻碱基间的距离要小，并且DNA四种碱基之间存在电子指纹[5]，所以石墨烯有望让基因电子测序技术变的更直接，更快速，更低成本。
石墨烯还可以应用于晶体管、大规模集成电路等诸多领域，石墨烯的诞生就是是划过寂静夜空的一颗闪亮的流星，它点亮了整个科学界和工业界的天空。
1.2.2 二硫化钼（MoS2）
二硫化钼（MoS2）是类石墨烯结构的新型层状化合物，它具有独特的物理结构和化学性质[6]。单层的二硫化钼是半导体，石墨烯的带隙为零，而二硫化钼的带隙为1.8eV，较大的带隙使二硫化钼在关电器件方面具有更广阔的应用前景。单层的二硫化钼体积小厚度薄，所制作出的半导体芯片体积更小、能效更高。
二硫化钼是辉钼矿的主要成分，是一种具有金属光泽的固体粉末。二硫化钼已经通过化学沉积吸附或者机械剥离等一系列方法被制备成功[7,8]。二硫化钼的熔点为1185℃，莫氏硬度为1.0-1.5。二硫化钼单分子层之间的弱范德华力可以使擦材料很好的减摩擦力，二硫化钼因此具有很高的催化性和润滑性。[9]在现实生活中体材料二硫化钼在能量储存、润滑和催化上具有广泛的应用。二硫化钼适用于高温高压下，是一种十分重要的固体润滑剂。另外二硫化钼还具有抗磁性，具有整流和换能的作用，可以用来制作线性光电导体和显示P型或N型导电性能的半导体。
图3 单层二硫化钼的晶体结构（a）侧视图；（b）顶视图（其中大、小球分别为钼原子和硫原子）
二硫化钼晶体的禁带宽度为1.29eV的间接带隙半导体[10]，而单层二硫化钼是具有禁带宽度为1.8eV的直接带隙半导体[11]。这种差异的来源是由于二硫化钼层与层之间的弱范德华力作用引起的。单层二硫化钼的电子结构，非常容易受到外界的影响而改变，在0.5%拉应变下二硫化钼的能带结构便由直接带隙转变为间接带隙。
通过第一性原理的密度泛函理论研究拉应力对单层二硫化钼电子能带结构的影响，发现应力对单层二硫化钼能带结构影响很强。对单层二硫化钼均匀施加0.5%的应力时，它的能带就由直接带隙变为间接带隙，并且它的禁带宽度随着应力的增加而下降。[12]
图4 不同应力下二硫化钼的能带结构（费米能级取为0eV）（a）；（b）；（c）；（d）；（e）；（f）
分别计算在没有加应力是单层二硫化钼的轨道投影态密度和最高价带上的点与K点的投影电荷密度，发现最高价带上K点位置下降的原因是因为K点附近的硫原子的p轨道电子和钼原子的d轨道电子产生了很强的
中文摘要 Ⅰ
Abstract Ⅱ
第1章 引言 1
1. 1二维材料研究背景 1
1.2 二维材料研究现状 1
1.2.1 石墨烯 1
1.2.2 二硫化钼（MoS2）2
1.2.3 二维过渡金属碳化物或碳氮化物（MXenes） 5
1.3 二维材料存在的问题 6
第 2 章 理论方法和计算步骤 7
2.1 密度泛函理论简介 7
2.2 Kohn-Sham方程 9
2.3 本文计算所用
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
/> 1.2.2 二硫化钼（MoS2）2
1.2.3 二维过渡金属碳化物或碳氮化物（MXenes） 5
1.3 二维材料存在的问题 6
第 2 章 理论方法和计算步骤 7
2.1 密度泛函理论简介 7
2.2 Kohn-Sham方程 9
2.3 本文计算所用的软件包11
2.4 本章小结 11
第3 章 应力对Cr2C磁电性质的理论研究11
3.1计算细节12
3.2 单层Cr2C的理论研究12
3.3应力对单层碳化二铬的影响15
3.4 结论17
展望 18
致谢 19
参考文献20
1 引言
1.1 二维材料及其研究背景
在过去的十年中，石墨烯的发现促使二维（2D）材料的研究激增。由于维数和尺寸减小和量子组合的效果，二维晶体显示出许多有趣的特性，它们因此被认为是未来的纳米电子学和自旋电子学的基石。[1,2]尽管越来越多的二维晶体已经试制，但绝大多数都是非磁性。因此，对二维晶体磁性可调的追求在很长一段时间内是一个持续性的目标。对于石墨烯和单层过渡金属二硫属化物，有人提出诱导磁矩和排序，如表面上沉积磁吸附原子和引入特定缺陷或边缘。然而，在实验实现仍然具有挑战性：例如，吸附原子的聚类总是不可避免的，边缘形态和缺陷类型都没有得到很好的控制。[3]另一个重要的性质是非常理想的二维材料是带隙可调的，尤其是对它们的电子应用，这将允许我们灵活地设计和优化以二维材料为主的设备，如p-n结，晶体管，光电二极管和激光器。
1.2 二维材料研究现状
1.2.1 石墨烯
在2004年，英国曼切斯特大学Geim小组的大学物理学家康斯坦丁.诺沃肖洛夫和安德烈?海姆成功地分离出单原子层的石墨材料--石墨烯，证明了它可以单独存在，两人因此而共同获得了2010年的诺贝尔物理学奖。石墨烯是只有一层分子层的石墨材料，它是一种二维晶体结构材料，它的基本结构单元是稳定的苯六元环，碳原子按sp2杂化轨道在其中组成六角形蜂巢状晶格。理想的石墨烯结构是平面六角形的，每个碳原子都sp2杂化并且贡献一个p轨道上的电子形成大π键，π电子可以在层间自由的移动，这使石墨烯拥有良好的导电性。石墨烯的物理特性十分惊人，电子在石墨烯结构中的运动速度远超在一般导体中的运动速度，在石墨烯中电子的速度可以达到光速的三百分之一，这点尤为引人注目。
图1 二维结构的石墨烯结构图 图2 石墨烯构建各种碳材料的示意图
石墨烯是目前世界上最坚硬并且最薄的纳米材料，它的导热系数和电子迁移率高于碳纳米管和金刚石，常温下它的电导率比银和铜高，是至今为止世界上电阻率最小的材料。因为它电阻率低，电子运输速度快的性质，人们希望可以用它来制作出新一代更薄、导电性更好的电子元件或晶体管。科学家还发现石墨烯中电子的不仅与蜂巢晶之间格存在强烈的相互作用，电子与电子之间也存在强烈的相互作用。石墨烯优秀的导电性尤其适用于高频电路，如今工程师把越来越多的信息填充在信号中，高频电路对现代电子工业的发展尤为重要，石墨烯的出现，使人们对高频提升充满了希望。石墨烯另一个被寄予厚望的领域是太阳能电池领域，因为石墨烯是透明的，所以石墨烯又可以作为太阳能电池和液晶显示屏的材料。石墨烯在化学中也有广泛的应用。因为导电的石墨烯厚度比DNA链中相邻碱基间的距离要小，并且DNA四种碱基之间存在电子指纹[5]，所以石墨烯有望让基因电子测序技术变的更直接，更快速，更低成本。
石墨烯还可以应用于晶体管、大规模集成电路等诸多领域，石墨烯的诞生就是是划过寂静夜空的一颗闪亮的流星，它点亮了整个科学界和工业界的天空。
1.2.2 二硫化钼（MoS2）
二硫化钼（MoS2）是类石墨烯结构的新型层状化合物，它具有独特的物理结构和化学性质[6]。单层的二硫化钼是半导体，石墨烯的带隙为零，而二硫化钼的带隙为1.8eV，较大的带隙使二硫化钼在关电器件方面具有更广阔的应用前景。单层的二硫化钼体积小厚度薄，所制作出的半导体芯片体积更小、能效更高。
二硫化钼是辉钼矿的主要成分，是一种具有金属光泽的固体粉末。二硫化钼已经通过化学沉积吸附或者机械剥离等一系列方法被制备成功[7,8]。二硫化钼的熔点为1185℃，莫氏硬度为1.0-1.5。二硫化钼单分子层之间的弱范德华力可以使擦材料很好的减摩擦力，二硫化钼因此具有很高的催化性和润滑性。[9]在现实生活中体材料二硫化钼在能量储存、润滑和催化上具有广泛的应用。二硫化钼适用于高温高压下，是一种十分重要的固体润滑剂。另外二硫化钼还具有抗磁性，具有整流和换能的作用，可以用来制作线性光电导体和显示P型或N型导电性能的半导体。
图3 单层二硫化钼的晶体结构（a）侧视图；（b）顶视图（其中大、小球分别为钼原子和硫原子）
二硫化钼晶体的禁带宽度为1.29eV的间接带隙半导体[10]，而单层二硫化钼是具有禁带宽度为1.8eV的直接带隙半导体[11]。这种差异的来源是由于二硫化钼层与层之间的弱范德华力作用引起的。单层二硫化钼的电子结构，非常容易受到外界的影响而改变，在0.5%拉应变下二硫化钼的能带结构便由直接带隙转变为间接带隙。
通过第一性原理的密度泛函理论研究拉应力对单层二硫化钼电子能带结构的影响，发现应力对单层二硫化钼能带结构影响很强。对单层二硫化钼均匀施加0.5%的应力时，它的能带就由直接带隙变为间接带隙，并且它的禁带宽度随着应力的增加而下降。[12]
图4 不同应力下二硫化钼的能带结构（费米能级取为0eV）（a）；（b）；（c）；（d）；（e）；（f）
分别计算在没有加应力是单层二硫化钼的轨道投影态密度和最高价带上的点与K点的投影电荷密度，发现最高价带上K点位置下降的原因是因为K点附近的硫原子的p轨道电子和钼原子的d轨道电子产生了很强的
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