bn缺陷对bn纳米片电子特性的影响【字数：9416】
摘 要 自新型的材料石墨烯的发现,二维材料就广受科研者的关注。本文首先对二维材料的定义分类进行介绍,并介绍其种类、性质以及应用。随后介绍二维材料掺杂以及硼氮掺杂。硼氮纳米片因为其本身耐高温、高抗腐蚀性、宽带隙等较石墨烯纳米片更优良的性质而在多领域中比石墨烯纳米片更具有潜力。我们采用基于密度泛函理论的第一性原理计算对具有B、N缺陷的BN纳米片的结构、磁性和电子特性进行研究。我们的研究表明B缺陷的BN纳米片在力学性能上是稳定的,而N缺陷的BN纳米片在力学性能上是不稳定的。在电子结构特性上,B缺陷的纳米片表现出良好的半金属特性,而N缺陷的纳米片表现出自旋半导体的特性。研究表明B缺陷的纳米片在自旋电子器件中可能存在较好的应用价值。
目 录
1.绪论1
1.1引言1
1.2 二维材料1
1.2.1 石墨烯（grahene)2
1.2.2 过渡金属硫化物 4
1.2.3 氮化硼5
1.3 二维材料掺杂6
1.4 BN掺杂7
2. 密度泛函理论8
2.1 第一性原理8
2.2 密度泛函理论 8
2.3 QuantumATK介绍8
3. B、N缺陷对BN纳米片电子特性的影响9
3.1 计算方法和模型9
3.2 结果和分析 10
3.3 小结 13
参考文献 14
致谢15
1.绪论
1.1引言
随着人类科技水平的飞速发展,从生食到熟食,学会创造、使用工具,进而改良工具,认知一步步完善,物理这块人类的基石也在逐渐完善、建立稳固。研究尺度也由宏观世界逐渐发展至微观世界,微观世界里的尺寸都非常小,因此出现了许多不同于宏观世界奇妙的物理化学性质,它包括在各个领域优异的性能,使人们看到突破原有界限继续提升的希望,而这也就导致了二维材料成为现今21世纪热门的研究领域之一。研究使人类干涉的领域进入到了原子的水平,这意味着科学技术的发展又迈上了一个崭新的台阶。
1.2二维材料
二维材料是一大类材料的总称，指的是材料在一个维度上的尺寸减小到极限的原子层厚度,在 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
其他两个维度,材料的尺寸相对比较大[1]。这种材料也叫做低维纳米材料。它们具有更新颖更独特而又更丰富的性质而备受广大科研工作者的关注。自2004年石墨烯的层状结构二维晶体被发现后,以石墨烯为代表的二维材料迅速发展,越来越多的新型二维材料出现在人们视野里。据不完全统计已有700多种二维材料经实验或理论认证可以稳定存在。并且诸多二维材料在各个领域已经有了非常重要的地位。
二维材料可以被粗略的分为两大种类：一类是同一种元素的二维同素异形体,一般来说它们名字都会带有ene(烯)的后缀,比如说硅烯、锗烯、锡烯、硼烯等；另一类则是含有不同元素的共价化合物,一般是由两种元素组成,而这种二维材料的名字中会带有ane或是ide的后缀,比如说主族金属硫化物,GaS、InSe、SnS、SnS2等。这些二维材料的能带结构和电学性质完全不同,囊括了从超导体到绝缘体的材料类型。不单是材料覆盖范围广,它们所具有的物理性质也十分丰富、优异。二维材料堆垛的种类不同,可以搭建的结构功能也不同,改变种类可以调控功能性的强弱。所以在一些电子器件、能源领域，人们对这些二维材料抱以相当大的期望。
如今,无论是在制备、理论研究计算、应用探索、掺杂优化等领域二维材料都有了极大的研究进展。例如在制备方面,实验室所需的二维材料样品,可以通过机械剥离法只付出少量的代价就能获得。所以实验室基本都拥有这样的器械与能力可以制取。让人们看到二维材料商业化曙光的制备方法叫做化学气相沉积法。现今已经可以制备大面积、高质量的石墨烯以及部分过渡金属硫化物材料。而改变二维材料的性质是二维材料发展的一个重要方面,它可以使用的方法也不止是掺杂,也可以通过化学修饰,静电调控等手段来扬长避短,弥补本身一些不足。在应用方面,已经证明了二维材料完全可以担负作为下一代电子器件的基础材料的重任。
现今,二维材料所要面临的挑战还来自于方方面面,而且都十分严峻,是二维材料发展路上的巨大拦路虎。二维材料虽然在光电子器件领域具有非常大的潜力,但是其制备水平还远远达不到器件的标准。二维材料的制备还存在着巨大的问题,不同的制备方法所引起的问题也不同,比如不易控制样品厚度、层数,制备效率低等。因此想要实现大范围的应用二维材料还要走很长一段路。实现稳定的可控制备是应用的大前提,这又涉及到二维材料制备的专业设施、设备和制备工艺技术。只有最顶尖的工匠和工具,才能做出最顶级的产品。
目前来看,完全取代材料硅是不太可能的,但是可以与现有的材料相互弥补不足。电子器件在不断沿着速度更快、体积更小、价格更便宜和功能更完善的方向发展。具有独特优异物理性质的石墨烯、过渡金属硫簇化合物等新型二维材料,在信息领域方面以及电子器件领域方面具有潜在的应用前景。随着广大研究者的不断努力,越来越多具备独特性能的二维材料被发现,为未来的研究打下基础,二维材料将会引领基于材料创新的产业变革。
1.2.1石墨烯（grahene)
在二维材料里，最典型并且最早的材料是石墨烯（grahene）。grahene是由地球上随处可见的材料——碳材料构成的,最早在2004年被Manchester大学的Geim小组发现[1]。这种新型的二维原子晶体存在有单层或是薄层,是目前所发现的最薄的二维材料[2]。单层石墨烯的结构是以六角为形状的蜂窝状的网络结构。因为石墨烯中长程的共轭Π电子使得石墨烯具备了十分优秀的力学等性质。甚至因为石墨烯的电阻十分低，人们在以石墨烯作为新一代电子元件、晶体管的方向上报有非常大的期望。石墨烯作为现测试材料中强度最高的材料达到130GPa。二十一世纪以来,人们在石墨烯的制备方面取得了飞跃性的进展,制备方法得到了极大的扩充,发展了机械剥离、晶体外延生长、化学氧化、化学气相积和有机合成等多种制备方法[3]。在应用方面,石墨烯在高性能电子器件、光电子器件和能源的存储等领域有着非常大的应用空间。以石墨烯为代表的二维材料具有独特优异的光学、力学、热学、磁学的性质,它们以覆盖了超导体、金属、半金属、半导体以及绝缘体等材料的类型而具有非常广阔的用途。
石墨烯有几种比较常见的制备方法,第一种称之为机械剥离法。最早在2004年，Geim小组通过机械剥离法得到了最大宽带达到10μm的石墨烯片。方法主要是用等离子束在高取向热解石墨（HOPG）表面蚀出一个槽面,后将HOPG压在带有抗腐蚀剂的基底上,一般又二氧化硅以及硅基底,烘烧完成之后，利用透明的胶带对富余的石墨片进行剥离，而剩下的将其浸放在CH3COCH3里,利用超声波和水以及CH3COCH3进行清洗。[4]但是这样很难得到独立并且是单原子层厚度的石墨烯,还不是成熟的技术,可控性不高,不适合用作于大规模的生产及运用。但是在这之后,KonstantinNovoselov等人用这种方法制备出了单层的石墨烯,并且证明了它可以独立存在。
目 录
1.绪论1
1.1引言1
1.2 二维材料1
1.2.1 石墨烯（grahene)2
1.2.2 过渡金属硫化物 4
1.2.3 氮化硼5
1.3 二维材料掺杂6
1.4 BN掺杂7
2. 密度泛函理论8
2.1 第一性原理8
2.2 密度泛函理论 8
2.3 QuantumATK介绍8
3. B、N缺陷对BN纳米片电子特性的影响9
3.1 计算方法和模型9
3.2 结果和分析 10
3.3 小结 13
参考文献 14
致谢15
1.绪论
1.1引言
随着人类科技水平的飞速发展,从生食到熟食,学会创造、使用工具,进而改良工具,认知一步步完善,物理这块人类的基石也在逐渐完善、建立稳固。研究尺度也由宏观世界逐渐发展至微观世界,微观世界里的尺寸都非常小,因此出现了许多不同于宏观世界奇妙的物理化学性质,它包括在各个领域优异的性能,使人们看到突破原有界限继续提升的希望,而这也就导致了二维材料成为现今21世纪热门的研究领域之一。研究使人类干涉的领域进入到了原子的水平,这意味着科学技术的发展又迈上了一个崭新的台阶。
1.2二维材料
二维材料是一大类材料的总称，指的是材料在一个维度上的尺寸减小到极限的原子层厚度,在 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
其他两个维度,材料的尺寸相对比较大[1]。这种材料也叫做低维纳米材料。它们具有更新颖更独特而又更丰富的性质而备受广大科研工作者的关注。自2004年石墨烯的层状结构二维晶体被发现后,以石墨烯为代表的二维材料迅速发展,越来越多的新型二维材料出现在人们视野里。据不完全统计已有700多种二维材料经实验或理论认证可以稳定存在。并且诸多二维材料在各个领域已经有了非常重要的地位。
二维材料可以被粗略的分为两大种类：一类是同一种元素的二维同素异形体,一般来说它们名字都会带有ene(烯)的后缀,比如说硅烯、锗烯、锡烯、硼烯等；另一类则是含有不同元素的共价化合物,一般是由两种元素组成,而这种二维材料的名字中会带有ane或是ide的后缀,比如说主族金属硫化物,GaS、InSe、SnS、SnS2等。这些二维材料的能带结构和电学性质完全不同,囊括了从超导体到绝缘体的材料类型。不单是材料覆盖范围广,它们所具有的物理性质也十分丰富、优异。二维材料堆垛的种类不同,可以搭建的结构功能也不同,改变种类可以调控功能性的强弱。所以在一些电子器件、能源领域，人们对这些二维材料抱以相当大的期望。
如今,无论是在制备、理论研究计算、应用探索、掺杂优化等领域二维材料都有了极大的研究进展。例如在制备方面,实验室所需的二维材料样品,可以通过机械剥离法只付出少量的代价就能获得。所以实验室基本都拥有这样的器械与能力可以制取。让人们看到二维材料商业化曙光的制备方法叫做化学气相沉积法。现今已经可以制备大面积、高质量的石墨烯以及部分过渡金属硫化物材料。而改变二维材料的性质是二维材料发展的一个重要方面,它可以使用的方法也不止是掺杂,也可以通过化学修饰,静电调控等手段来扬长避短,弥补本身一些不足。在应用方面,已经证明了二维材料完全可以担负作为下一代电子器件的基础材料的重任。
现今,二维材料所要面临的挑战还来自于方方面面,而且都十分严峻,是二维材料发展路上的巨大拦路虎。二维材料虽然在光电子器件领域具有非常大的潜力,但是其制备水平还远远达不到器件的标准。二维材料的制备还存在着巨大的问题,不同的制备方法所引起的问题也不同,比如不易控制样品厚度、层数,制备效率低等。因此想要实现大范围的应用二维材料还要走很长一段路。实现稳定的可控制备是应用的大前提,这又涉及到二维材料制备的专业设施、设备和制备工艺技术。只有最顶尖的工匠和工具,才能做出最顶级的产品。
目前来看,完全取代材料硅是不太可能的,但是可以与现有的材料相互弥补不足。电子器件在不断沿着速度更快、体积更小、价格更便宜和功能更完善的方向发展。具有独特优异物理性质的石墨烯、过渡金属硫簇化合物等新型二维材料,在信息领域方面以及电子器件领域方面具有潜在的应用前景。随着广大研究者的不断努力,越来越多具备独特性能的二维材料被发现,为未来的研究打下基础,二维材料将会引领基于材料创新的产业变革。
1.2.1石墨烯（grahene)
在二维材料里，最典型并且最早的材料是石墨烯（grahene）。grahene是由地球上随处可见的材料——碳材料构成的,最早在2004年被Manchester大学的Geim小组发现[1]。这种新型的二维原子晶体存在有单层或是薄层,是目前所发现的最薄的二维材料[2]。单层石墨烯的结构是以六角为形状的蜂窝状的网络结构。因为石墨烯中长程的共轭Π电子使得石墨烯具备了十分优秀的力学等性质。甚至因为石墨烯的电阻十分低，人们在以石墨烯作为新一代电子元件、晶体管的方向上报有非常大的期望。石墨烯作为现测试材料中强度最高的材料达到130GPa。二十一世纪以来,人们在石墨烯的制备方面取得了飞跃性的进展,制备方法得到了极大的扩充,发展了机械剥离、晶体外延生长、化学氧化、化学气相积和有机合成等多种制备方法[3]。在应用方面,石墨烯在高性能电子器件、光电子器件和能源的存储等领域有着非常大的应用空间。以石墨烯为代表的二维材料具有独特优异的光学、力学、热学、磁学的性质,它们以覆盖了超导体、金属、半金属、半导体以及绝缘体等材料的类型而具有非常广阔的用途。
石墨烯有几种比较常见的制备方法,第一种称之为机械剥离法。最早在2004年，Geim小组通过机械剥离法得到了最大宽带达到10μm的石墨烯片。方法主要是用等离子束在高取向热解石墨（HOPG）表面蚀出一个槽面,后将HOPG压在带有抗腐蚀剂的基底上,一般又二氧化硅以及硅基底,烘烧完成之后，利用透明的胶带对富余的石墨片进行剥离，而剩下的将其浸放在CH3COCH3里,利用超声波和水以及CH3COCH3进行清洗。[4]但是这样很难得到独立并且是单原子层厚度的石墨烯,还不是成熟的技术,可控性不高,不适合用作于大规模的生产及运用。但是在这之后,KonstantinNovoselov等人用这种方法制备出了单层的石墨烯,并且证明了它可以独立存在。
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