过渡金属掺杂对Si烯的电子性质的影响
目 录
1 绪论 1
1.1 纳米技术 1
1.2 石墨烯 1
1.3 硅烯 2
2 计算方法及模型 3
2.1 第一性原理计算方法 3
2.2 软件简介 3
2.3密度泛函理论 4
2.4 模型 4
3 计算结果和结论 5
3.1 引言 5
3.2 掺杂后的优化及计算 6
3.3 纯净硅烯的性质 8
3.4 单掺杂硅烯的电子性质和磁性 8
3.5 双掺杂硅烯的电子性质和磁性 13
结 论 15
致 谢 16
参 考 文 献 17
1 绪论
1.1 纳米技术
纳米技术（nanotechnology）是二十世纪末期逐渐兴起的一种高新技术，它和此前的物理技术不同，它的研究对象有所改变，不再是宏观物体，而是原子、分子等微观结构。顾名思义，纳米技术就是在研究纳米量级的研究尺度，从小到0.1纳米，大到100纳米，都是纳米技术的研究范围。它是一门研究微观世界，并能实现以原子或者分子为直接原料构造特殊功能产品的学科[1,2]。
由纳米技术产生的纳米材料则一直是科学家们研究纳米的重点，纳米材料从维
度上可以分为零维、一维、二维以及三维，而我们此次研究课题的主要方向是纳米材料的二维材料-石墨烯、硅烯。相信对石墨烯、硅烯的研究能够更好的使它们在生产生活中得到运用。
1.2 石墨烯
上文提到的二维纳米材料石墨烯，是只有一个原子厚的二维碳膜的，它的这种特殊的结构让人十分的惊讶。石墨烯是一种二维蜂窝状碳原子晶格。石墨烯的稳定 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
性很高。世界上很多的实验团队已经成功制备且在室温下能够稳定存在的石墨烯。石墨烯板的电子输运计算与金属电极有关，因此了解石墨烯与金属的相互作用非常重要。虽然石墨烯的名字里带有石墨二个字，但是，它并不具备石墨的各种性质，也不依赖石墨的储量。实验表明，纳米碳表面掺杂、吸附金属原子后会形成许多结构，这些结构能引起有趣的新现象。有可能产生一些特殊的性质。如果进行进一步的研究，发现它的更多性质并且能应用到生产生活中，我想那简直是革命性的。
石墨烯的发现，让世界各地的科学家们震惊不已。科学家们经过研究后发现，石墨烯在导电方面简直是非比寻常，并且具有很多主流材料所不及强度和透光性，它的优良性质使它有望在现代电子科技领域引发一轮革命性的变革。在石墨烯中的电子能够比在硅中更加高速、有效地迁移，这就导致了石墨烯在这方面的性质足以让传统的半导体望而却步。由于电子和原子会发生相互碰撞导致能量损耗，所以以硅为代表的传统的半导体与石墨烯相比，它们会浪费更多的能量，所以进一步研究石墨烯、硅烯势在必行。这样我们才能够更好的利用资源。
1.3 硅烯
随着石墨烯的大热，另一种类似的纳米新型材料也引起了材料科学界的极大兴趣，这就是Si烯(Silicene)。
2007年，部分科学家提出硅也许可以形成类似石墨的单原子层结构并将之命名为硅烯(Silicene)。随后的一系列理论工作表明，硅烯具备与石墨烯类似的狄拉克型电子结构，其布里渊区同样有六个线性色散的狄拉克锥。硅烯是一种二维纳米材料，硅原子在原子晶格中像石墨烯中碳原子一样呈现窝煤排列。实验结果表明，硅烯与石墨烯拥有相似的性质，比如较高的费米速度、无质量的迪拉克费米系统、费米能级以及附近有线性色散能带等等。但是，与石墨烯的结构相比，硅烯具有混合的sp2-sp3的电子杂化结构，并且硅烯的原子半径更大甚至于它的晶格结构发生轻微的扭曲，使硅烯具有直接电子带隙和拓扑相过渡机制这些特性。同时，硅烯的扭曲结构可以使硅烯在它的外电场展现出能带间隙具有可调的特性。，硅烯体系比石墨烯体系更具备一些优势。比如，硅烯中具有更强的自旋轨道耦合，因此能在其狄拉克点打开更大的能隙，从而实现可观测的量子化自旋霍尔效应(QSHE）[3]。硅材料易于获得和且制备容易，并且与现有的硅半导体工业相兼容，科学家制造出的硅烯晶体管体积相当小，跟现在常用的晶体管相比，硅烯材料晶体管更能提升芯片效能、且耗能相对较少。这种材料很有可能在IT行业一起新一轮的变革。这种晶体管潜力巨大，我相信，对计算机学家来说研究此材料意义十分巨大。
以下就是科学家们研究硅烯走过的路程
1994 首次计算出硅和锗的二维晶体结构
2004 安德烈?海姆（Andre Geim）和康斯坦丁?诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)完成石墨烯的分离
2007 创造术语“硅烯”
2009 硅烯纳米带的制造；硅烯和锗烯理论方面的文章进入爆发期
2010 海姆和诺沃肖洛夫因其在石墨烯方面的重要实验获得诺贝尔物理学奖
2012 六篇独立研究报道了在银表面制备出的硅烯层
2015 首次硅烯晶体管展示
研究石墨烯、硅烯的性质对于使它们服务于生产生活中具有重要意义，目前硅烯还不够成熟，但此时的石墨烯应用已经十分广泛。在太阳能电池、传感器、纳米电子学、高性能纳米电子器件、复合材料、软性电子等领域已经取得了傲人的成绩。硅烯作为与石墨烯相似却又有所不同的材料，它也必将服务于生产生活。所以硅烯具有十分巨大的研究价值。
2 计算方法及模型
2.1 第一性原理计算方法
用来计算凝聚态常的第一性原理计算方法(First Principle Calculation)在量子化学领域里也被称为从头算法(ab inito)。第一性原理计算方法不需要借助其他任何实验或者经验来研究物理体系的性质。
应用第一性原理计算方法，这样我们就基本上不需要采用实验或者是经验的参数，我们可以从直接给定的物理体系的原子的物理体系的构造开始。只需要几个基本的物理参数就可以开始计算，而所需要的基本参数就是电子的质量(m)、电子的电量(e)、光速(c)、还有玻尔兹曼常量(k)以及普朗克常量(h)。这样我们就可以比较准确地获得研究材料的状态以及它的性质。第一性原理计算方法主要涉及下面的几个理论方法：多粒子体系的薛定谔方程[4]、Hartree-Fork理论[5]、Born-Oppenheimer近似[6]等。
第一性原理计算方法在计算凝聚态物理方面具有十分广泛的应用，特别是对低维的纳米材料，我们所研究的单胞以及超胞包含的原子数目都在几百以下，个人电脑配置用第一性原理计算方法完全负担得起，很多的研究实践表明，对于这样的体系，第一性原理计算方法给出的就算结果与实验结果符合的非常好。目前基于第一性原理方法的软件有许多，此次研究选择了Dmol3这个程序来研究课题。我们将选用Materials Studio。
2.2 软件简介
Materials Studio是一款专门为材料科学领域研究应用开发的。它是在电脑运行的软件。支持目前主流系统，比如windows系列、Unix等等。使用Materials Studio，极大地方便了化学及材料科学的研究者们，使他们能够更快地建立三维结构模型，并且它对各种晶体、高分子材料的性质及相关过程研究十分有利。它可以帮助我们解决当今化学、材料工业中在模拟运行方面的各种问题。
1 绪论 1
1.1 纳米技术 1
1.2 石墨烯 1
1.3 硅烯 2
2 计算方法及模型 3
2.1 第一性原理计算方法 3
2.2 软件简介 3
2.3密度泛函理论 4
2.4 模型 4
3 计算结果和结论 5
3.1 引言 5
3.2 掺杂后的优化及计算 6
3.3 纯净硅烯的性质 8
3.4 单掺杂硅烯的电子性质和磁性 8
3.5 双掺杂硅烯的电子性质和磁性 13
结 论 15
致 谢 16
参 考 文 献 17
1 绪论
1.1 纳米技术
纳米技术（nanotechnology）是二十世纪末期逐渐兴起的一种高新技术，它和此前的物理技术不同，它的研究对象有所改变，不再是宏观物体，而是原子、分子等微观结构。顾名思义，纳米技术就是在研究纳米量级的研究尺度，从小到0.1纳米，大到100纳米，都是纳米技术的研究范围。它是一门研究微观世界，并能实现以原子或者分子为直接原料构造特殊功能产品的学科[1,2]。
由纳米技术产生的纳米材料则一直是科学家们研究纳米的重点，纳米材料从维
度上可以分为零维、一维、二维以及三维，而我们此次研究课题的主要方向是纳米材料的二维材料-石墨烯、硅烯。相信对石墨烯、硅烯的研究能够更好的使它们在生产生活中得到运用。
1.2 石墨烯
上文提到的二维纳米材料石墨烯，是只有一个原子厚的二维碳膜的，它的这种特殊的结构让人十分的惊讶。石墨烯是一种二维蜂窝状碳原子晶格。石墨烯的稳定 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
性很高。世界上很多的实验团队已经成功制备且在室温下能够稳定存在的石墨烯。石墨烯板的电子输运计算与金属电极有关，因此了解石墨烯与金属的相互作用非常重要。虽然石墨烯的名字里带有石墨二个字，但是，它并不具备石墨的各种性质，也不依赖石墨的储量。实验表明，纳米碳表面掺杂、吸附金属原子后会形成许多结构，这些结构能引起有趣的新现象。有可能产生一些特殊的性质。如果进行进一步的研究，发现它的更多性质并且能应用到生产生活中，我想那简直是革命性的。
石墨烯的发现，让世界各地的科学家们震惊不已。科学家们经过研究后发现，石墨烯在导电方面简直是非比寻常，并且具有很多主流材料所不及强度和透光性，它的优良性质使它有望在现代电子科技领域引发一轮革命性的变革。在石墨烯中的电子能够比在硅中更加高速、有效地迁移，这就导致了石墨烯在这方面的性质足以让传统的半导体望而却步。由于电子和原子会发生相互碰撞导致能量损耗，所以以硅为代表的传统的半导体与石墨烯相比，它们会浪费更多的能量，所以进一步研究石墨烯、硅烯势在必行。这样我们才能够更好的利用资源。
1.3 硅烯
随着石墨烯的大热，另一种类似的纳米新型材料也引起了材料科学界的极大兴趣，这就是Si烯(Silicene)。
2007年，部分科学家提出硅也许可以形成类似石墨的单原子层结构并将之命名为硅烯(Silicene)。随后的一系列理论工作表明，硅烯具备与石墨烯类似的狄拉克型电子结构，其布里渊区同样有六个线性色散的狄拉克锥。硅烯是一种二维纳米材料，硅原子在原子晶格中像石墨烯中碳原子一样呈现窝煤排列。实验结果表明，硅烯与石墨烯拥有相似的性质，比如较高的费米速度、无质量的迪拉克费米系统、费米能级以及附近有线性色散能带等等。但是，与石墨烯的结构相比，硅烯具有混合的sp2-sp3的电子杂化结构，并且硅烯的原子半径更大甚至于它的晶格结构发生轻微的扭曲，使硅烯具有直接电子带隙和拓扑相过渡机制这些特性。同时，硅烯的扭曲结构可以使硅烯在它的外电场展现出能带间隙具有可调的特性。，硅烯体系比石墨烯体系更具备一些优势。比如，硅烯中具有更强的自旋轨道耦合，因此能在其狄拉克点打开更大的能隙，从而实现可观测的量子化自旋霍尔效应(QSHE）[3]。硅材料易于获得和且制备容易，并且与现有的硅半导体工业相兼容，科学家制造出的硅烯晶体管体积相当小，跟现在常用的晶体管相比，硅烯材料晶体管更能提升芯片效能、且耗能相对较少。这种材料很有可能在IT行业一起新一轮的变革。这种晶体管潜力巨大，我相信，对计算机学家来说研究此材料意义十分巨大。
以下就是科学家们研究硅烯走过的路程
1994 首次计算出硅和锗的二维晶体结构
2004 安德烈?海姆（Andre Geim）和康斯坦丁?诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)完成石墨烯的分离
2007 创造术语“硅烯”
2009 硅烯纳米带的制造；硅烯和锗烯理论方面的文章进入爆发期
2010 海姆和诺沃肖洛夫因其在石墨烯方面的重要实验获得诺贝尔物理学奖
2012 六篇独立研究报道了在银表面制备出的硅烯层
2015 首次硅烯晶体管展示
研究石墨烯、硅烯的性质对于使它们服务于生产生活中具有重要意义，目前硅烯还不够成熟，但此时的石墨烯应用已经十分广泛。在太阳能电池、传感器、纳米电子学、高性能纳米电子器件、复合材料、软性电子等领域已经取得了傲人的成绩。硅烯作为与石墨烯相似却又有所不同的材料，它也必将服务于生产生活。所以硅烯具有十分巨大的研究价值。
2 计算方法及模型
2.1 第一性原理计算方法
用来计算凝聚态常的第一性原理计算方法(First Principle Calculation)在量子化学领域里也被称为从头算法(ab inito)。第一性原理计算方法不需要借助其他任何实验或者经验来研究物理体系的性质。
应用第一性原理计算方法，这样我们就基本上不需要采用实验或者是经验的参数，我们可以从直接给定的物理体系的原子的物理体系的构造开始。只需要几个基本的物理参数就可以开始计算，而所需要的基本参数就是电子的质量(m)、电子的电量(e)、光速(c)、还有玻尔兹曼常量(k)以及普朗克常量(h)。这样我们就可以比较准确地获得研究材料的状态以及它的性质。第一性原理计算方法主要涉及下面的几个理论方法：多粒子体系的薛定谔方程[4]、Hartree-Fork理论[5]、Born-Oppenheimer近似[6]等。
第一性原理计算方法在计算凝聚态物理方面具有十分广泛的应用，特别是对低维的纳米材料，我们所研究的单胞以及超胞包含的原子数目都在几百以下，个人电脑配置用第一性原理计算方法完全负担得起，很多的研究实践表明，对于这样的体系，第一性原理计算方法给出的就算结果与实验结果符合的非常好。目前基于第一性原理方法的软件有许多，此次研究选择了Dmol3这个程序来研究课题。我们将选用Materials Studio。
2.2 软件简介
Materials Studio是一款专门为材料科学领域研究应用开发的。它是在电脑运行的软件。支持目前主流系统，比如windows系列、Unix等等。使用Materials Studio，极大地方便了化学及材料科学的研究者们，使他们能够更快地建立三维结构模型，并且它对各种晶体、高分子材料的性质及相关过程研究十分有利。它可以帮助我们解决当今化学、材料工业中在模拟运行方面的各种问题。
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