ag衬底上硅烯的初始生长过程模拟(附件)【字数：6922】
在制备硅烯的过程中，Ag（111）面被认为是迄今最为适合生长硅烯的基底。在这篇论文中，我们汇报了硅烯材料的特性以及一些目前制备硅烯的优秀方法，我们运用蒙特卡洛模拟方法，采用Fortran语言编译也模拟研究了在Ag（111）衬底上不同温度时硅烯的结构生长。我们发现在不同温度时硅烯结构不同。我们的结果阐明了Ag（111）衬底上不同温度对硅烯结构生长的影响。关键词硅烯，Ag（111）面，蒙特卡洛方法，Fortran语言。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 硅烯材料简介 1
1.2 硅烯材料在金属衬底上的制备 3
第二章 计算模拟方法 7
2.1蒙特卡洛方法简介 7
2.2正则系综的蒙特卡洛方法编程 7
第三章 Ag衬底上硅烯的初始生长过程模拟 9
3.1 建立模型 9
3.2 程序运行代码 10
3.3 数据处理 11
3.4 结果与讨论 15
第四章 总结与展望 18
致谢 19
参考文献20
第一章 绪论
1.1 硅烯材料简介
随着半导体工业向更小尺度的发展，在低维系统中丰富的量子现象可能会导致新奇应用的出现。在过去十年中石墨烯成为基础科学研究的代表，新兴设备包括电子设备，能量储存设备和基于石墨烯形成的透明保护层等都争相使用，近年来很多人都乐于寻找第四族（Si, Ge）中石墨烯的类似物,现在已经有理论证明硅烯是一种新的无质量费米系统，而硅烯是如同石墨烯一样，是单层硅原子蜂窝状结构。理论研究也表明硅烯与石墨烯有着相似的性质。比如它们的无质量狄拉克费米系统以及在费米能级
图11：单层硅烯的结构示意图（上图为俯视图，下图为侧视图）
附近的线性色散的电子和高速的的费米子。石墨在自然界中是一种很稳定的物质，因为石墨的CC键键角为120°，杂化轨道为s。而且C原子都在一个平面内，它的π电子在整个平面内也都表现为非局域化[1]。相比于CC键来说SiSi键之间的力要更弱一点，其键长也要长得多。第一性原理所计算出来的硅的最稳定结构是以杂化的SiSi键连接构成的正四面体金刚石结构，石墨所呈现的s杂化 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
所构成的二维平面结构并不存在[1]。再加上Si原子半径要比C原子要大，通过基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算发现，在形成平面的前提下，与石墨烯的平面蜂窝状结构不同，Si倾向与形成非共面的翘曲结构，即六元环中的3个Si原子会向上翘曲[2]。这种结构的上下原子间距为0.4 ?，而且这种结构是通过s和s杂化轨道所形成的。虽然如此，通过电子结构计算，这种结构的硅烯仍然表现出具有s杂化轨道的特有性质——硅烯布里渊区中的 k点有狄拉克锥的存在。这也就意味着硅烯具有如石墨烯一样拥有各种新奇量子现象的性质。
也正因为硅烯晶格结构的轻微屈曲（LB），本质上来说是杂化轨道的不同而产生的更多特性，例如具有较大的自旋轨道耦合强度，硅烯相比于石墨烯而言它在狄拉克点处所打开的能隙更大。这使得硅烯可在液氮温度下实现量子自旋霍尔效应，加上硅烯具有直接电子带隙以及拓扑相过渡机制的性质，它已成为一种全新的二维拓扑绝缘体。而且硅纳米带（nanoribbons）的电学性质和磁学性质都会受到纳米带的尺寸，有无氢钝化以及取向（orientation）的影响。有理论研究指出，在有外加电场和交换场的情况下，硅烯可以实现各种可调的量子效应，这包括量子反常霍尔态、谷极化金属态等等。而用圆偏振光照射硅烯，则可实现不同拓扑对称性的拓扑绝缘态，而这些性质可能会给新纳米器件的研发提供新的选择[2]。
硅烯的化学性质异常活拨，具有亲电和亲核的双重反应性，因此硅烯能进行许多化学反应，进而生成一些不常见的化合物，而且硅烯对许多反应具有很好的专一性。硅烯的反应性主要取决于它前线轨道通的不同情况，同过硅烯前线轨道的情况我们可以预测其所参与反应的反应途径和反应的难易程度，以及可能的反应产物。单重态简单硅烯未成键的电子位于硅烯的σ轨道，也就是HOMO轨道，而硅烯的LUMO轨道则为p空轨道。因此硅烯在σ轨道方向具有亲核性，在p轨道方向具有亲电性。从而表现出双重反应活性[3]。
图12：硅烯的两种电子排布方式
硅烯具有两种不同状态的电子排布方式：一种我们称作为单线态，其中的Si原子的两个S轨道与两个R成键，同时两个自旋方向相反的电子成对占据剩下的一个S轨道，另外还有一个空的p轨道(见图2左)；另一种是三线态，其中Si原子的两个S轨道与两个R成键，而两个自旋相同的电子各占据一个p轨道(根据泡利不相容原理)(见上图2右)[3]。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 硅烯材料简介 1
1.2 硅烯材料在金属衬底上的制备 3
第二章 计算模拟方法 7
2.1蒙特卡洛方法简介 7
2.2正则系综的蒙特卡洛方法编程 7
第三章 Ag衬底上硅烯的初始生长过程模拟 9
3.1 建立模型 9
3.2 程序运行代码 10
3.3 数据处理 11
3.4 结果与讨论 15
第四章 总结与展望 18
致谢 19
参考文献20
第一章 绪论
1.1 硅烯材料简介
随着半导体工业向更小尺度的发展，在低维系统中丰富的量子现象可能会导致新奇应用的出现。在过去十年中石墨烯成为基础科学研究的代表，新兴设备包括电子设备，能量储存设备和基于石墨烯形成的透明保护层等都争相使用，近年来很多人都乐于寻找第四族（Si, Ge）中石墨烯的类似物,现在已经有理论证明硅烯是一种新的无质量费米系统，而硅烯是如同石墨烯一样，是单层硅原子蜂窝状结构。理论研究也表明硅烯与石墨烯有着相似的性质。比如它们的无质量狄拉克费米系统以及在费米能级
图11：单层硅烯的结构示意图（上图为俯视图，下图为侧视图）
附近的线性色散的电子和高速的的费米子。石墨在自然界中是一种很稳定的物质，因为石墨的CC键键角为120°，杂化轨道为s。而且C原子都在一个平面内，它的π电子在整个平面内也都表现为非局域化[1]。相比于CC键来说SiSi键之间的力要更弱一点，其键长也要长得多。第一性原理所计算出来的硅的最稳定结构是以杂化的SiSi键连接构成的正四面体金刚石结构，石墨所呈现的s杂化 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
所构成的二维平面结构并不存在[1]。再加上Si原子半径要比C原子要大，通过基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算发现，在形成平面的前提下，与石墨烯的平面蜂窝状结构不同，Si倾向与形成非共面的翘曲结构，即六元环中的3个Si原子会向上翘曲[2]。这种结构的上下原子间距为0.4 ?，而且这种结构是通过s和s杂化轨道所形成的。虽然如此，通过电子结构计算，这种结构的硅烯仍然表现出具有s杂化轨道的特有性质——硅烯布里渊区中的 k点有狄拉克锥的存在。这也就意味着硅烯具有如石墨烯一样拥有各种新奇量子现象的性质。
也正因为硅烯晶格结构的轻微屈曲（LB），本质上来说是杂化轨道的不同而产生的更多特性，例如具有较大的自旋轨道耦合强度，硅烯相比于石墨烯而言它在狄拉克点处所打开的能隙更大。这使得硅烯可在液氮温度下实现量子自旋霍尔效应，加上硅烯具有直接电子带隙以及拓扑相过渡机制的性质，它已成为一种全新的二维拓扑绝缘体。而且硅纳米带（nanoribbons）的电学性质和磁学性质都会受到纳米带的尺寸，有无氢钝化以及取向（orientation）的影响。有理论研究指出，在有外加电场和交换场的情况下，硅烯可以实现各种可调的量子效应，这包括量子反常霍尔态、谷极化金属态等等。而用圆偏振光照射硅烯，则可实现不同拓扑对称性的拓扑绝缘态，而这些性质可能会给新纳米器件的研发提供新的选择[2]。
硅烯的化学性质异常活拨，具有亲电和亲核的双重反应性，因此硅烯能进行许多化学反应，进而生成一些不常见的化合物，而且硅烯对许多反应具有很好的专一性。硅烯的反应性主要取决于它前线轨道通的不同情况，同过硅烯前线轨道的情况我们可以预测其所参与反应的反应途径和反应的难易程度，以及可能的反应产物。单重态简单硅烯未成键的电子位于硅烯的σ轨道，也就是HOMO轨道，而硅烯的LUMO轨道则为p空轨道。因此硅烯在σ轨道方向具有亲核性，在p轨道方向具有亲电性。从而表现出双重反应活性[3]。
图12：硅烯的两种电子排布方式
硅烯具有两种不同状态的电子排布方式：一种我们称作为单线态，其中的Si原子的两个S轨道与两个R成键，同时两个自旋方向相反的电子成对占据剩下的一个S轨道，另外还有一个空的p轨道(见图2左)；另一种是三线态，其中Si原子的两个S轨道与两个R成键，而两个自旋相同的电子各占据一个p轨道(根据泡利不相容原理)(见上图2右)[3]。
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