过渡金属原子吸附的Si烯的电子性质和磁性研究
目 录
1 绪论 1
1.1 纳米材料 1
1.2 石墨烯 1
1.3 硅烯 2
2 理论基础 3
2.1 表面吸附 3
2.2 第一性原理方法 4
2.3 密度泛函理论 4
2.4 模拟软件简介 4
3 过渡金属原子吸附硅烯的性质研究 5
3.1 前言 5
3.2 研究方法 6
3.3 硅烯模型的构建与优化 6
3.4 过渡金属原子吸附硅烯的结构优化 7
3.5 过渡金属原子吸附硅烯的性质计算 9
3.6 过渡金属原子吸附硅烯的电子性质与磁性 9
结论 15
致谢 16
参考文献 17
1 绪论
1.1 纳米材料
纳米技术是现在人们耳熟能详的一个名词，它也是当代发展迅猛的新兴的科技
之一。此前，科研人员的着眼点大都放在宏观物体上，而纳米技术的着眼点则是微观
结构，例如研究原子、分子等微小粒子。纳米材料是指那些尺寸大小位于1~100nm
之间的材料，更广泛的可以指至少一个维度位于纳米尺寸范围里的材料。纳米材料从
维度上可以分为零维、一维、二维等，代表性的物质有：零维的纳米粉末，比如量子
点；一维的碳纳米管和石墨烯纳米带；二维的纳米膜，如硅烯与石墨烯。从物理形态
来分类的话，纳米材料则可分为纳米相分离液体、纳米纤维、纳米粉末、纳米膜以及
纳米块体这五大类。对于这些纳米材料来说，它们的材料尺寸相近与电子相干长度，
所 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
以量子效应明显，从而产生一些奇特的物理现象。例如小尺寸效应，因为纳米材料
尺寸小，其边界条件被破坏，表面层的原子密度也减少了，从而使得纳米材料各个方
面都出现了新的性能，比如光吸收效果明显增加、吸收峰等离子共振频移等，可以用
来用作微波吸收特性的材料。通过实验，研究人员对纳米材料有了一定程度的了解，
除此以外，另外一种研究纳米材料的方式，就是用软件对其进行模拟计算，如密度泛
函理论，由于其比较高的精确度并且要求的计算量适中而受到了广泛的应用，之后的
章节会论述到密度泛函理论。纳米材料前景广泛，有很高的研究价值[1]。
1.2 石墨烯
石墨烯是一种二维蜂窝状碳原子晶格。石墨烯键合很强，因此稳定性高。数个实验团队已经成功制备出了在室温下稳定的石墨烯。石墨烯的电子输运计算与其金属电极有关，因此了解石墨烯与金属的相互作用非常重要。近来，石墨烯对金属底层原子的吸附引起来广泛的注意。实验表明，纳米碳表面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。为了制造用于应用和输送实验的电子设备，必须了解形成碳原子表面的金属结构及其影响[2]。
早先的一些理论研究提供了被吸附原子与石墨烯的相互影响在原子层面的认识。这些研究集中在石墨烯对碱金属原子吸收的稳定结构、在石墨烯表面嵌入过渡金属原子、石墨烯与金属吸附原子间的电荷转移以及磁性。通过过渡金属原子的化学吸收对石墨烯电学性质的裁剪，已经成为材料科学研究中的一个方向[3]。
单壁碳原子纳米管是纳米技术中一种独特的材料，是将石墨烯板卷成紧密且半径有限的圆管。讨论碳原子纳米管两侧的吸附很有趣，实验已经证明碳原子纳米管能够控制其表面金属簇间的金属吸附原子的弥散。内外侧过渡金属原子之间的相互影响也是可以预测的，为了实现这个目的，需要详细研究碳原子纳米管管壁上的吸附现象。
1.3 硅烯
硅烯是21世纪的一项重大发现，硅烯这一名称是美国莱特州立大学一名学生在
其2006年的论文中提出来的，它是一种与石墨烯相类似的单质硅，虽然很久之前就有理论研究人员就推测该种物质的存在及其特性，但直到2008年硅烯才被研究人员实际制作出来。要了解硅烯就不得不先了解石墨烯,在元素周期表中硅与碳同属Ⅳ族元素，两者在材料学中有极高的重要性，但两种元素的结构稍有不同，碳原子以sp2杂化形成石墨结构，而硅原子则以sp3杂化形成面心立方金刚石结构。2004年石墨烯被安德烈等人发现并制作出来，这是由单层的石墨烯堆积出来的二维蜂窝结构，是富勒烯与纳米碳管的基础结构，其独特的迪拉克型电子结构能引发奇特效应，这给量子材料科学领域带来了更多的可能性，同时，科研人员也开始考虑硅是否也能形成类似结构。2007年，Verri等人表示硅可以形成类似石墨烯的结构，并将其命名为硅烯。2008年，法国的科研机构CINaM在Ag基板上通过外延生长成功制备了硅烯[4]。
硅烯的这些特性引起了科研工作者对硅烯广泛的研究热潮.硅烯本身与集成电路的工艺有很好的兼容性而且容易被制备与获得[5]，因此硅烯在纳米材料的应用方面拥有巨大的潜力，硅烯的发展前景非常广阔。
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。理论研究与实验结果表明，硅烯与石墨烯拥有相似的性质，比如蜂窝煤状原
子结构、在布里渊区同有六个先行色散迪拉克锥、较高的费米速度、无质量迪拉克费
米系统、费米能级附近有线性色散能带等。但是，与石墨烯平坦的原子结构相比，硅烯具有混合的sp2-sp3的电子杂化结构，并且硅烯原子半径更大以至于其晶格结构发生细微的扭曲从而使硅烯具有直接电子带隙和拓扑相过渡机制这些特性[6]。同时，硅烯的扭曲结构使硅烯在其外电场展现出能带间隙可调的特性。除此之外，相对之下硅烯还拥有更强的自旋轨道耦合效应，使硅烯成为了一个很好的拓扑绝缘体。
关于硅烯的研究现状。近来，高俊峰等人采用第一性原理系统研究了硅单层和簇
团在Ag(111)表面上的稳定以及相互作用机制[7]。他们发现真空中二维不稳定的硅簇团在Ag表面得到稳定，从而证实了硅烯在Ag(111)衬底上的高稳定性[8]。高俊峰等人还通过对比研究发现，硅烯在Rh(111)表面上并处于500K的温度时非常的不稳定，他们将硅烯的高稳定性归因于银表面的钝化效应与非常小的吸附能差异，阐明Ag(111)表面有利于硅烯外延生长的优异性[9,10]。Z.Y.Ni等人利用从头计算法预测了单层屈曲结构的硅烯在垂直外电场中可打开其能带间隙，而且能带隙的宽度随着外加电场强度的变大而线性增大[11]。他们通过模拟双栅极硅烯场效应管特性，证实了在加上一个栅极电压时，硅烯在垂直电场中可以打开一个传输间隙，并具有十分重要的开关效应。郝文平等人通过Hubbrad修正计算了单个过渡金属原子，在石墨烯上的电子性质与磁性等，通过对比四种不同过渡金属原子，得出原子吸附在空位上方比嵌入石墨烯内的结构更加稳定，并且得出结论，Hubbrad修正对过渡金属和石墨烯的体系的电子结构影响相当大[12]。兰州大学的一个研究小组，通过第一性密度泛函理论，研究了多种过渡金属原子被石墨烯吸收的吸附能量、态密度以及磁矩，证明磁矩对过渡金属原子吸附石墨烯有显著影响等等特性。这些研究对过渡金属原子吸附硅烯的研究有重大意义。
12 F. Y. Cheng, J. Chen, X. L. Gou. MoS2–Ni Nanocomposites as Catalysts for Hydrodesulfurization of Thiophene and Thiophene Derivatives. Advanced Materials (Weinheim, Germany), 2006,18(19):2561-2564.
1 绪论 1
1.1 纳米材料 1
1.2 石墨烯 1
1.3 硅烯 2
2 理论基础 3
2.1 表面吸附 3
2.2 第一性原理方法 4
2.3 密度泛函理论 4
2.4 模拟软件简介 4
3 过渡金属原子吸附硅烯的性质研究 5
3.1 前言 5
3.2 研究方法 6
3.3 硅烯模型的构建与优化 6
3.4 过渡金属原子吸附硅烯的结构优化 7
3.5 过渡金属原子吸附硅烯的性质计算 9
3.6 过渡金属原子吸附硅烯的电子性质与磁性 9
结论 15
致谢 16
参考文献 17
1 绪论
1.1 纳米材料
纳米技术是现在人们耳熟能详的一个名词，它也是当代发展迅猛的新兴的科技
之一。此前，科研人员的着眼点大都放在宏观物体上，而纳米技术的着眼点则是微观
结构，例如研究原子、分子等微小粒子。纳米材料是指那些尺寸大小位于1~100nm
之间的材料，更广泛的可以指至少一个维度位于纳米尺寸范围里的材料。纳米材料从
维度上可以分为零维、一维、二维等，代表性的物质有：零维的纳米粉末，比如量子
点；一维的碳纳米管和石墨烯纳米带；二维的纳米膜，如硅烯与石墨烯。从物理形态
来分类的话，纳米材料则可分为纳米相分离液体、纳米纤维、纳米粉末、纳米膜以及
纳米块体这五大类。对于这些纳米材料来说，它们的材料尺寸相近与电子相干长度，
所 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
以量子效应明显，从而产生一些奇特的物理现象。例如小尺寸效应，因为纳米材料
尺寸小，其边界条件被破坏，表面层的原子密度也减少了，从而使得纳米材料各个方
面都出现了新的性能，比如光吸收效果明显增加、吸收峰等离子共振频移等，可以用
来用作微波吸收特性的材料。通过实验，研究人员对纳米材料有了一定程度的了解，
除此以外，另外一种研究纳米材料的方式，就是用软件对其进行模拟计算，如密度泛
函理论，由于其比较高的精确度并且要求的计算量适中而受到了广泛的应用，之后的
章节会论述到密度泛函理论。纳米材料前景广泛，有很高的研究价值[1]。
1.2 石墨烯
石墨烯是一种二维蜂窝状碳原子晶格。石墨烯键合很强，因此稳定性高。数个实验团队已经成功制备出了在室温下稳定的石墨烯。石墨烯的电子输运计算与其金属电极有关，因此了解石墨烯与金属的相互作用非常重要。近来，石墨烯对金属底层原子的吸附引起来广泛的注意。实验表明，纳米碳表面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。为了制造用于应用和输送实验的电子设备，必须了解形成碳原子表面的金属结构及其影响[2]。
早先的一些理论研究提供了被吸附原子与石墨烯的相互影响在原子层面的认识。这些研究集中在石墨烯对碱金属原子吸收的稳定结构、在石墨烯表面嵌入过渡金属原子、石墨烯与金属吸附原子间的电荷转移以及磁性。通过过渡金属原子的化学吸收对石墨烯电学性质的裁剪，已经成为材料科学研究中的一个方向[3]。
单壁碳原子纳米管是纳米技术中一种独特的材料，是将石墨烯板卷成紧密且半径有限的圆管。讨论碳原子纳米管两侧的吸附很有趣，实验已经证明碳原子纳米管能够控制其表面金属簇间的金属吸附原子的弥散。内外侧过渡金属原子之间的相互影响也是可以预测的，为了实现这个目的，需要详细研究碳原子纳米管管壁上的吸附现象。
1.3 硅烯
硅烯是21世纪的一项重大发现，硅烯这一名称是美国莱特州立大学一名学生在
其2006年的论文中提出来的，它是一种与石墨烯相类似的单质硅，虽然很久之前就有理论研究人员就推测该种物质的存在及其特性，但直到2008年硅烯才被研究人员实际制作出来。要了解硅烯就不得不先了解石墨烯,在元素周期表中硅与碳同属Ⅳ族元素，两者在材料学中有极高的重要性，但两种元素的结构稍有不同，碳原子以sp2杂化形成石墨结构，而硅原子则以sp3杂化形成面心立方金刚石结构。2004年石墨烯被安德烈等人发现并制作出来，这是由单层的石墨烯堆积出来的二维蜂窝结构，是富勒烯与纳米碳管的基础结构，其独特的迪拉克型电子结构能引发奇特效应，这给量子材料科学领域带来了更多的可能性，同时，科研人员也开始考虑硅是否也能形成类似结构。2007年，Verri等人表示硅可以形成类似石墨烯的结构，并将其命名为硅烯。2008年，法国的科研机构CINaM在Ag基板上通过外延生长成功制备了硅烯[4]。
硅烯的这些特性引起了科研工作者对硅烯广泛的研究热潮.硅烯本身与集成电路的工艺有很好的兼容性而且容易被制备与获得[5]，因此硅烯在纳米材料的应用方面拥有巨大的潜力，硅烯的发展前景非常广阔。
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。理论研究与实验结果表明，硅烯与石墨烯拥有相似的性质，比如蜂窝煤状原
子结构、在布里渊区同有六个先行色散迪拉克锥、较高的费米速度、无质量迪拉克费
米系统、费米能级附近有线性色散能带等。但是，与石墨烯平坦的原子结构相比，硅烯具有混合的sp2-sp3的电子杂化结构，并且硅烯原子半径更大以至于其晶格结构发生细微的扭曲从而使硅烯具有直接电子带隙和拓扑相过渡机制这些特性[6]。同时，硅烯的扭曲结构使硅烯在其外电场展现出能带间隙可调的特性。除此之外，相对之下硅烯还拥有更强的自旋轨道耦合效应，使硅烯成为了一个很好的拓扑绝缘体。
关于硅烯的研究现状。近来，高俊峰等人采用第一性原理系统研究了硅单层和簇
团在Ag(111)表面上的稳定以及相互作用机制[7]。他们发现真空中二维不稳定的硅簇团在Ag表面得到稳定，从而证实了硅烯在Ag(111)衬底上的高稳定性[8]。高俊峰等人还通过对比研究发现，硅烯在Rh(111)表面上并处于500K的温度时非常的不稳定，他们将硅烯的高稳定性归因于银表面的钝化效应与非常小的吸附能差异，阐明Ag(111)表面有利于硅烯外延生长的优异性[9,10]。Z.Y.Ni等人利用从头计算法预测了单层屈曲结构的硅烯在垂直外电场中可打开其能带间隙，而且能带隙的宽度随着外加电场强度的变大而线性增大[11]。他们通过模拟双栅极硅烯场效应管特性，证实了在加上一个栅极电压时，硅烯在垂直电场中可以打开一个传输间隙，并具有十分重要的开关效应。郝文平等人通过Hubbrad修正计算了单个过渡金属原子，在石墨烯上的电子性质与磁性等，通过对比四种不同过渡金属原子，得出原子吸附在空位上方比嵌入石墨烯内的结构更加稳定，并且得出结论，Hubbrad修正对过渡金属和石墨烯的体系的电子结构影响相当大[12]。兰州大学的一个研究小组，通过第一性密度泛函理论，研究了多种过渡金属原子被石墨烯吸收的吸附能量、态密度以及磁矩，证明磁矩对过渡金属原子吸附石墨烯有显著影响等等特性。这些研究对过渡金属原子吸附硅烯的研究有重大意义。
12 F. Y. Cheng, J. Chen, X. L. Gou. MoS2–Ni Nanocomposites as Catalysts for Hydrodesulfurization of Thiophene and Thiophene Derivatives. Advanced Materials (Weinheim, Germany), 2006,18(19):2561-2564.
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/rwxy/wuli/117.html
