二维碳化铌纳米片电子结构及其吸附性质的研究
二维碳化铌纳米片电子结构及其吸附性质的研究[20200101170654]
本文通过基于密度泛函理论的第一性原理，研究了石墨型的二维碳化铌纳米片的相关性质。本文主要内容包括两部分。在第一部分，我研究了二维碳化铌纳米片的相关物理性质，例如几何结构、电子结构。发现常态下的二维碳化铌纳米片属于导体，同时也发现二维碳化铌纳米片不显磁性；在第二部分，我研究了二维碳化铌纳米片对小分子的吸附性质。在本文中，我主要研究了二维碳化铌纳米片对锂原子和一氧化碳分子的吸附，发现其对一氧化碳分子的吸附能力较弱，而对锂原子的吸附能力较好，而且吸附锂原子的结合能更大，更稳定。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:碳化铌,第一性原理,密度泛函理论,能带结构,态密度
目录
1绪论 1
1.1 背景 1
1.2 本文主要意义 2
2 第一性原理和计算方法 4
2.1第一性原理 4
2.2 计算方法 9
3碳化铌纳米片的结构与特性 11
3.1创建单层碳化铌的结构及几何优化 11
3.2 碳化铌的能带结构和态密度分析 12
3.3 碳化铌的电、磁性质 14
4 碳化铌纳米片对小分子的吸附能力 17
4.1 碳化铌纳米片对锂原子的吸附能力 17
4.2 碳化铌纳米片对一氧化碳分子的吸附能力 21
总结 22
致谢 23
参考文献 24
1绪论
1.1 背景
近年来，电子产业的高速发展给人们的生活带来了巨大的方便，尤其是计算机、通信、自动化等技术行业，电子器件微型化的同时其性能也就随之变得越来越好。在此过程中单晶硅材料起到了举足轻重的作用，但随着器件尺寸的不断缩小化，硅基器件和集成电路己经达到己有材料特性所决定的理论极限。首先，工艺上很难或者说再也无法达到更窄的线宽，这主要是在光刻精度的问题上有所体现，而且，随着集成器件的尺寸不断缩小，一些物理效应将影响器件的正常有效地工作，最终将会导致这些集成器件失效。因此，为了解决这一瓶颈性问题，迫切需要一种性能优良、迁移率更大同时尺寸上可以再进行缩小的的新型半导体材料。
2004年，英国曼彻斯特大学物理和天文学系教授Geim和Novoselov把石墨作为研究对象，通过机械微应力技术，成功地将石墨分离成较小的碎片，最终得到了只有单层碳原子厚度的超薄材料—石墨烯[1]。它的问世引起了全世界的的研究热潮，此后，石墨烯在基础科学和能源工程领域的研究得到了迅猛的发展。科学研究人员通过大量的实验和理论研究发现，作为一种二维蜂窝状结构的单原子厚度的石墨片（其理论厚度仅0.35nm），石墨烯具有许多独特的特性，例如：高强度、半整数量子霍尔效应、高电子迁移率（～10000 cm2V-1s-1）[1]、高光学透过率（～97.7%）[2]、高杨氏模量（～1 TPa）[3]、大理论比表面积（2630 m2g-1）[4]和良好的热导率（3000-5000 Wm-1K-1）[5]。石墨烯的研究热潮也吸引了国内外材料制备研究的兴趣，石墨烯材料的制备方法已报道的有：机械剥离法、化学氧化法、晶体外延生长法、化学气相沉积法、有机合成法和碳纳米管剥离法等[6,7]。特别是通过氧化还原石墨烯的方法可以实现大批量、低成本的制备石墨烯，而且还能充分利用氧化石墨烯表面丰富的含氧官能团，从而能进一步对其功能化以调节氧化石墨烯或还原氧化石墨烯的性能[8-11]。
迄今为止，石墨烯已成为世界上强度最大的材料，据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜（厚度约10万纳米），那么它将能承受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂；第二：石墨烯是世界上导电性最好的材料。石墨烯的应用范围广阔。根据石墨烯超薄，强度超大的特性，石墨烯可被广泛应用于各领域，比如超轻防弹衣，超薄超轻型飞机材料等。根据其优异的导电性，使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。石墨烯有可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，碳元素更高的电子迁移率可以使未来的计算机获得更高的速度。另外石墨烯材料还是一种优良的改性剂，在新能源领域如超级电容器[12]、锂离子电池[13]方面，由于其高传导性、高比表面积，可适用于作为电极材料助剂。
有着“白色石墨”之称的六方氮化硼具有类似石墨的层状结构的晶体结构，主要呈现质轻、松散、易吸潮、润滑等性状的白色粉末。六方氮化硼具有良好的导热性、化学稳定性、电绝缘性;无明显熔点,在惰性气体中熔点3000“C,在中性还原气氛中,耐热到2000OC,在氮气和氢中使用温度可达2800“C,在氧气气氛中稳定性较差,使用温度1000“C以下[14]。六方氮化硼的膨胀系数相当于石英,可是它的导热率却是石英的十倍。六方氮化硼不溶于冷水,且水煮沸时水解非常缓慢并产生少量的氮和硼酸;与弱酸和强碱在室温下均不反应,微溶于热酸,用熔融的氢氧化钠,氢氧化钾处理才能分解。
六方氮化硼其本身就具有优异的性质,例如：良好的润滑性、绝缘性、良好的化学稳定性及耐热耐腐蚀性等,因此可以应用于多个领域。利用润滑性可以作为填充物,填充在陶瓷、金属表面作为高温自润滑复合材料以及作为机械设备的润滑剂; 利用绝缘性可以作为加热器的绝缘子及等离子弧的绝缘体、高温高频高压绝缘散热部件等;利用热稳定性可以作为熔炼蒸发金属的增锅、液态金属输送管道、泵体零部件、火箭喷口及各种铸件模具等;利用耐热耐腐蚀性可以用作高温构件、航天器的燃烧室内衬及隔热设备;除了以上一些应用。它还可以应用于化学、纺织及其他尖端工业部门。
1.2 本文主要意义
从以上对石墨烯和氮化硼的介绍可以看出，到目前为止，石墨烯的研究已经很成熟了，我们就想在石墨烯中六边形中的三个量量不相邻的C原子用其他的粒子替换，如Nb、Ta，从而产生的新的材料NbC、TaC，看看新材料NbC、TaC是否也有一些独特的特性。因此这次我就主要研究碳化铌相关纳米结构的有关物理性质。 本文以基于密度泛函理论的第一性原理为理论基础，利用Materials Studio中的Dmol3软件包模拟计算了单层、多层NbC的优化结构、能带结构以及态密度。
由于NbC是一种陌生的材料，到目前为止对NbC纳米结构及性质的研究很少。对NbC的很多性能研究依然还是处在起步阶段，因此，在这一领域中，充满了更多的未知与挑战。同时，若发现NbC这种材料也像石墨烯一样，具有某些独特的性质，这对科学技术的发展将有很大的帮助，因此研究NbC各方面的性质和功能也自然成为了一项必不可少的课程。本文正是基于以上各种原因，研究了有关碳化铌纳米结构的相关物理性质。
本文分为五大部分。其中，第一部分主要介绍了石墨烯的发现、结构以及应用前景;第二部分阐述了理论方法及计算方法的相关知识，第三部分分别介绍了单层碳化铌的相关物理性质、功能以及能带结构，态密度等的计算，第四部分主要探索碳化铌对锂原子和一氧化碳等小分子的吸附能力，并对多个锂原子进行吸附，探索饱和度。第五部分总结了本文的研究结果并且展望了未来碳化铌的发展前景，希望通过本文的研究可以为后续的实验及理论研究提供理论基础。
2 第一性原理和计算方法
2.1第一性原理
根据原子核和电子互相作用的原理及其基本运动规律，运用量子力学原理，从具体要求出发，经过一些近似处理后直接求解薛定谔方程 的算法，习惯上称为第一性原理[13]。
第一性原理通常是跟计算联系在一起的，是指在进行计算的时候除了告诉程序你所使用的原子和他们的位置外，没有其他的实验的、经验的或者半经验的参量，且具有很好的移植性。作为评价事物的依据，第一性原理和经验参数是两个极端。第一性原理是某些硬性规定或推演得出的结论，而经验参数则是通过大量实例得出的规律性的数据，这些数据可以来自第一性原理(称为理论统计数据)，也可以来自实验（称为实验统计数据）。
本文通过基于密度泛函理论的第一性原理，研究了石墨型的二维碳化铌纳米片的相关性质。本文主要内容包括两部分。在第一部分，我研究了二维碳化铌纳米片的相关物理性质，例如几何结构、电子结构。发现常态下的二维碳化铌纳米片属于导体，同时也发现二维碳化铌纳米片不显磁性；在第二部分，我研究了二维碳化铌纳米片对小分子的吸附性质。在本文中，我主要研究了二维碳化铌纳米片对锂原子和一氧化碳分子的吸附，发现其对一氧化碳分子的吸附能力较弱，而对锂原子的吸附能力较好，而且吸附锂原子的结合能更大，更稳定。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:碳化铌,第一性原理,密度泛函理论,能带结构,态密度
目录
1绪论 1
1.1 背景 1
1.2 本文主要意义 2
2 第一性原理和计算方法 4
2.1第一性原理 4
2.2 计算方法 9
3碳化铌纳米片的结构与特性 11
3.1创建单层碳化铌的结构及几何优化 11
3.2 碳化铌的能带结构和态密度分析 12
3.3 碳化铌的电、磁性质 14
4 碳化铌纳米片对小分子的吸附能力 17
4.1 碳化铌纳米片对锂原子的吸附能力 17
4.2 碳化铌纳米片对一氧化碳分子的吸附能力 21
总结 22
致谢 23
参考文献 24
1绪论
1.1 背景
近年来，电子产业的高速发展给人们的生活带来了巨大的方便，尤其是计算机、通信、自动化等技术行业，电子器件微型化的同时其性能也就随之变得越来越好。在此过程中单晶硅材料起到了举足轻重的作用，但随着器件尺寸的不断缩小化，硅基器件和集成电路己经达到己有材料特性所决定的理论极限。首先，工艺上很难或者说再也无法达到更窄的线宽，这主要是在光刻精度的问题上有所体现，而且，随着集成器件的尺寸不断缩小，一些物理效应将影响器件的正常有效地工作，最终将会导致这些集成器件失效。因此，为了解决这一瓶颈性问题，迫切需要一种性能优良、迁移率更大同时尺寸上可以再进行缩小的的新型半导体材料。
2004年，英国曼彻斯特大学物理和天文学系教授Geim和Novoselov把石墨作为研究对象，通过机械微应力技术，成功地将石墨分离成较小的碎片，最终得到了只有单层碳原子厚度的超薄材料—石墨烯[1]。它的问世引起了全世界的的研究热潮，此后，石墨烯在基础科学和能源工程领域的研究得到了迅猛的发展。科学研究人员通过大量的实验和理论研究发现，作为一种二维蜂窝状结构的单原子厚度的石墨片（其理论厚度仅0.35nm），石墨烯具有许多独特的特性，例如：高强度、半整数量子霍尔效应、高电子迁移率（～10000 cm2V-1s-1）[1]、高光学透过率（～97.7%）[2]、高杨氏模量（～1 TPa）[3]、大理论比表面积（2630 m2g-1）[4]和良好的热导率（3000-5000 Wm-1K-1）[5]。石墨烯的研究热潮也吸引了国内外材料制备研究的兴趣，石墨烯材料的制备方法已报道的有：机械剥离法、化学氧化法、晶体外延生长法、化学气相沉积法、有机合成法和碳纳米管剥离法等[6,7]。特别是通过氧化还原石墨烯的方法可以实现大批量、低成本的制备石墨烯，而且还能充分利用氧化石墨烯表面丰富的含氧官能团，从而能进一步对其功能化以调节氧化石墨烯或还原氧化石墨烯的性能[8-11]。
迄今为止，石墨烯已成为世界上强度最大的材料，据测算如果用石墨烯制成厚度相当于普通食品塑料包装袋厚度的薄膜（厚度约10万纳米），那么它将能承受大约两吨重物品的压力，而不至于断裂；第二：石墨烯是世界上导电性最好的材料。石墨烯的应用范围广阔。根据石墨烯超薄，强度超大的特性，石墨烯可被广泛应用于各领域，比如超轻防弹衣，超薄超轻型飞机材料等。根据其优异的导电性，使它在微电子领域也具有巨大的应用潜力。石墨烯有可能会成为硅的替代品，制造超微型晶体管，用来生产未来的超级计算机，碳元素更高的电子迁移率可以使未来的计算机获得更高的速度。另外石墨烯材料还是一种优良的改性剂，在新能源领域如超级电容器[12]、锂离子电池[13]方面，由于其高传导性、高比表面积，可适用于作为电极材料助剂。
有着“白色石墨”之称的六方氮化硼具有类似石墨的层状结构的晶体结构，主要呈现质轻、松散、易吸潮、润滑等性状的白色粉末。六方氮化硼具有良好的导热性、化学稳定性、电绝缘性;无明显熔点,在惰性气体中熔点3000“C,在中性还原气氛中,耐热到2000OC,在氮气和氢中使用温度可达2800“C,在氧气气氛中稳定性较差,使用温度1000“C以下[14]。六方氮化硼的膨胀系数相当于石英,可是它的导热率却是石英的十倍。六方氮化硼不溶于冷水,且水煮沸时水解非常缓慢并产生少量的氮和硼酸;与弱酸和强碱在室温下均不反应,微溶于热酸,用熔融的氢氧化钠,氢氧化钾处理才能分解。
六方氮化硼其本身就具有优异的性质,例如：良好的润滑性、绝缘性、良好的化学稳定性及耐热耐腐蚀性等,因此可以应用于多个领域。利用润滑性可以作为填充物,填充在陶瓷、金属表面作为高温自润滑复合材料以及作为机械设备的润滑剂; 利用绝缘性可以作为加热器的绝缘子及等离子弧的绝缘体、高温高频高压绝缘散热部件等;利用热稳定性可以作为熔炼蒸发金属的增锅、液态金属输送管道、泵体零部件、火箭喷口及各种铸件模具等;利用耐热耐腐蚀性可以用作高温构件、航天器的燃烧室内衬及隔热设备;除了以上一些应用。它还可以应用于化学、纺织及其他尖端工业部门。
1.2 本文主要意义
从以上对石墨烯和氮化硼的介绍可以看出，到目前为止，石墨烯的研究已经很成熟了，我们就想在石墨烯中六边形中的三个量量不相邻的C原子用其他的粒子替换，如Nb、Ta，从而产生的新的材料NbC、TaC，看看新材料NbC、TaC是否也有一些独特的特性。因此这次我就主要研究碳化铌相关纳米结构的有关物理性质。 本文以基于密度泛函理论的第一性原理为理论基础，利用Materials Studio中的Dmol3软件包模拟计算了单层、多层NbC的优化结构、能带结构以及态密度。
由于NbC是一种陌生的材料，到目前为止对NbC纳米结构及性质的研究很少。对NbC的很多性能研究依然还是处在起步阶段，因此，在这一领域中，充满了更多的未知与挑战。同时，若发现NbC这种材料也像石墨烯一样，具有某些独特的性质，这对科学技术的发展将有很大的帮助，因此研究NbC各方面的性质和功能也自然成为了一项必不可少的课程。本文正是基于以上各种原因，研究了有关碳化铌纳米结构的相关物理性质。
本文分为五大部分。其中，第一部分主要介绍了石墨烯的发现、结构以及应用前景;第二部分阐述了理论方法及计算方法的相关知识，第三部分分别介绍了单层碳化铌的相关物理性质、功能以及能带结构，态密度等的计算，第四部分主要探索碳化铌对锂原子和一氧化碳等小分子的吸附能力，并对多个锂原子进行吸附，探索饱和度。第五部分总结了本文的研究结果并且展望了未来碳化铌的发展前景，希望通过本文的研究可以为后续的实验及理论研究提供理论基础。
2 第一性原理和计算方法
2.1第一性原理
根据原子核和电子互相作用的原理及其基本运动规律，运用量子力学原理
第一性原理通常是跟计算联系在一起的，是指在进行计算的时候除了告诉程序你所使用的原子和他们的位置外，没有其他的实验的、经验的或者半经验的参量，且具有很好的移植性。作为评价事物的依据，第一性原理和经验参数是两个极端。第一性原理是某些硬性规定或推演得出的结论，而经验参数则是通过大量实例得出的规律性的数据，这些数据可以来自第一性原理(称为理论统计数据
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