crs2纳米带电子性质的研究
由于量子尺寸效应，二维纳米材料相比宏观晶体材料表现出许多优异的物理化学性能，尤其是二维过渡金属二硫化物受到人们的广泛的关注。本文采用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理方法，系统研究了不同宽度下扶手椅型和锯齿型CrS2纳米带的电子性质，并且比较了拉伸和压缩对CrS2纳米带的电子性质的影响。结果表明，宽度为4的锯齿型CrS2纳米带（Z4）为非磁性金属，宽度为6的锯齿型CrS2纳米带（Z6）为半金属，宽度为8的锯齿型CrS2纳米带（Z8）为非磁性金属。扶手椅型CrS2表现为半金属，磁矩大小随带宽变化很小。扶手椅型和锯齿型CrS2纳米带磁性都主要产生在边缘Cr原子上。计算不同拉伸和压缩情况下CrS2纳米带电子性质，结果表明扶手椅型CrS2纳米带（A13）的电子性质依赖于压缩和拉伸量的大小，压缩2%的扶手椅型CrS2纳米带为半金属，压缩到4%时纳米带变为带隙为0.3265eV的非磁性半导体，继续增大压缩量到6%纳米带恢复到半金属性；在拉伸量为2%和4%仍为半金属，当拉伸量为6%时变为半导体。研究不同压缩和拉伸对宽度为8的锯齿型CrS2（Z8）纳米带电子性质影响，结果表明压缩对其电子性质影响很小，纳米带均是表现出非磁矩金属，当拉伸量达到6%时，CrS2纳米带变为带隙为0.054eV半导体。关键词纳米带，密度泛函，磁矩，能带
目 录
1 绪论 1
1.1 纳米材料的分类和物理性质 1
1.2 一些一、二维纳米材料的研究进展 2
1.2.1单层石墨烯及其纳米带 2
1.2.2 MoS2的单层和纳米带性质 3
1.2.3 BN结构也是重要的纳米材料结构 4
1.2.4 CrS2的研究现状 4
2 研究方法 5
2.1低微纳米结构的计算方法概述 5
2.2第一性原理计算方法 6
2.2.1绝热近似 6
2.2.2 非相对论近似 6
2.3 密度泛函理论 6
2.3.1 HohenbergKohn 定理 7
2.3.2 KohnSham 方程 7
2.3.3 交换关联势 8
2.4 DMol 软件包 9
3 CrS2纳米带 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
电子性质的研究 9
3.1结构优化 9
3.2 不同宽度对CrS2能带和电子性质的影响 11
3.3 研究拉伸和压缩对CrS2纳米带的电子性质的影响 17
3.4 本章小结 26
致 谢 28
参 考 文 献 29
1 绪论
纳米材料学科是一门发展迅速的科学领域，随着电子器件的小型化越来越普遍，对于纳米级物理器件的研究越来越紧迫，而对于纳米材料而言，其物理性质有着和普通材料大相迥异的特性。
芯片晶体管的发展速度非常快，一年左右的时间会更新一代，这是大家普遍接受的事实，晶体管的小型化势在必行。对于发展高性能计算机，提高计算能力至光重要。这就要求要尽可能的缩小电子元器件的尺寸，但是随着电子器件的小型化，材料的迥异性表现在：材料不在遵循普通物理规律，而是服从量子领域的特性：表面效应、量子尺寸效应、量子隧道效应等。而器件的的小型化是保证计算机相关产业繁荣进步的重要保证，探索后硅时代电学材料的性质，成为物理学，材料科学等重要的关注课题。
利用量子物理知识寻找新型的二维晶体管材料是不可阻挡的趋势，近年来也诞生了一大批性能优异的潜在纳米材料，金属类，陶瓷类等等。其对电子输运和可导电性的可控性较强，成为新型电学器件制备的有力的潜力材料。
而对于二维晶体材料的研究则将纳米材料的研究推上了一个新的高度，这其中包括对材料的单层，纳米带，纳米线，纳米点不同维度的研究。
1.1 纳米材料的分类和物理性质
纳米级结构材料简称为纳米材料，它的结构单元小于1nm至100nm,它的尺度之小已经接近了电子的相干长度和光的波长。准确来说，纳米材料是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统。维度上讲可以分为零维纳米材料（纳米颗粒，分子原子团簇），一维纳米材料（纳米线，纳米管，纳米棍），二维纳米材料（超薄膜，超晶格）。而这些纳米材料具有与普通材料迥异的物理性质，从而导致其在电学，磁学，光学等方面不一样的性质。纳米材料具有一些不一样的物理性质。
经过对纳米材料系统的研究我们发现了它们显著的物理性质差异。其中包括“体积效应”：它是指当纳米材料的尺寸与传导的电子的波的长度相当或着更小时，材料的周期性边界条件将不复存在，磁性，内压，光吸收，热阻等一系列性质发生很大变化，依据体积效应，制备微波吸收纳米涂层对于隐型飞机的功能有很好的提升作用。同样纳米材料的“表面效应”也不容忽视因为超微粒子的表面布满了阶梯的结构，这类结构有较高的表面能，极易与外来原子键和，并且随着粒子直径的减少，表面的原子数急剧增多，界面的原子数可达总原子数的一半左右，这直接影响力材料的熔点，特别是化学反应时的催化特性。对于纳米材料的能级特点，研究发现当纳米材料的尺寸小于一定值时，费米能级的电子能级由准连续劈裂为分立能级。这个效应是由于纳米材料中的原子数是一定的，有限的。库伯等人的研究表明电子的分立能级的间距是与原子数成反比的（4Ef/3N），所以对于有限的原子数，电子能级的分立变得非常明显，这一点和材料的高的光学非线性特性和光催化特性有着密切联系。这个效应称为“量子尺寸”效应。对于“宏观量子隧道效用”是指微观粒子具有贯穿势垒的能力，这种效应在量子相干中的电荷，磁通量等宏观量中表现明显。纳米材料的另一个特性叫做“介电限域效应”是指光照射时，由于折射率不同产生了界面，邻近纳米半导体表面的区域﹑纳米半导体表面甚至纳米粒子内部的场强比辐射光的光强变大了。
正是由于纳米材料异于体材料的特性发展出了纳米半导体，纳米陶瓷，纳米催化材料，纳米计算机，纳米传感器等一系列新材料。
纳米材料的现代工业制备也是多种多样的，包括惰性气体蒸发凝聚法，水热法，水解法，气相法和化学沉淀等。
1.2 一些一、二维纳米材料的研究进展
二维晶体材料的研究与石墨烯的发现密不可分，在这以前，由于在热力学稳定性较差，稳定的二维晶体材料被认为是不存在的，但是当科学家用胶带机械剥离出结构时，把原先作为理论模型的单层石墨片在现实中制备出来后，对石墨稀这一类二维晶体材料的研究才逐渐展开。至此，对于石墨烯的物理性质和制备方式的研究短短十年内的到了大幅度的推进，除了制备大规模，低成本的石墨烯相关的技术有待提高，对石墨烯的研究热潮逐渐减弱。然而，近期，对于未合成材料，尤其是二维材料备受关注。在各种筛选理想的二维材料的方法中，一种是系统的探索元素周期表，例如，用同一族的元素替换掉已知单层中的元素。这一方法已经预言出了硅烯的存在。通过此方法有一些研究已经对类石墨烯结构，但组分不同的物质进行了系统的研究。这些物质主要有MoS2（单层结构和纳米带结构）BN结构材料，CrS2结构材料。
目 录
1 绪论 1
1.1 纳米材料的分类和物理性质 1
1.2 一些一、二维纳米材料的研究进展 2
1.2.1单层石墨烯及其纳米带 2
1.2.2 MoS2的单层和纳米带性质 3
1.2.3 BN结构也是重要的纳米材料结构 4
1.2.4 CrS2的研究现状 4
2 研究方法 5
2.1低微纳米结构的计算方法概述 5
2.2第一性原理计算方法 6
2.2.1绝热近似 6
2.2.2 非相对论近似 6
2.3 密度泛函理论 6
2.3.1 HohenbergKohn 定理 7
2.3.2 KohnSham 方程 7
2.3.3 交换关联势 8
2.4 DMol 软件包 9
3 CrS2纳米带 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
电子性质的研究 9
3.1结构优化 9
3.2 不同宽度对CrS2能带和电子性质的影响 11
3.3 研究拉伸和压缩对CrS2纳米带的电子性质的影响 17
3.4 本章小结 26
致 谢 28
参 考 文 献 29
1 绪论
纳米材料学科是一门发展迅速的科学领域，随着电子器件的小型化越来越普遍，对于纳米级物理器件的研究越来越紧迫，而对于纳米材料而言，其物理性质有着和普通材料大相迥异的特性。
芯片晶体管的发展速度非常快，一年左右的时间会更新一代，这是大家普遍接受的事实，晶体管的小型化势在必行。对于发展高性能计算机，提高计算能力至光重要。这就要求要尽可能的缩小电子元器件的尺寸，但是随着电子器件的小型化，材料的迥异性表现在：材料不在遵循普通物理规律，而是服从量子领域的特性：表面效应、量子尺寸效应、量子隧道效应等。而器件的的小型化是保证计算机相关产业繁荣进步的重要保证，探索后硅时代电学材料的性质，成为物理学，材料科学等重要的关注课题。
利用量子物理知识寻找新型的二维晶体管材料是不可阻挡的趋势，近年来也诞生了一大批性能优异的潜在纳米材料，金属类，陶瓷类等等。其对电子输运和可导电性的可控性较强，成为新型电学器件制备的有力的潜力材料。
而对于二维晶体材料的研究则将纳米材料的研究推上了一个新的高度，这其中包括对材料的单层，纳米带，纳米线，纳米点不同维度的研究。
1.1 纳米材料的分类和物理性质
纳米级结构材料简称为纳米材料，它的结构单元小于1nm至100nm,它的尺度之小已经接近了电子的相干长度和光的波长。准确来说，纳米材料是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统。维度上讲可以分为零维纳米材料（纳米颗粒，分子原子团簇），一维纳米材料（纳米线，纳米管，纳米棍），二维纳米材料（超薄膜，超晶格）。而这些纳米材料具有与普通材料迥异的物理性质，从而导致其在电学，磁学，光学等方面不一样的性质。纳米材料具有一些不一样的物理性质。
经过对纳米材料系统的研究我们发现了它们显著的物理性质差异。其中包括“体积效应”：它是指当纳米材料的尺寸与传导的电子的波的长度相当或着更小时，材料的周期性边界条件将不复存在，磁性，内压，光吸收，热阻等一系列性质发生很大变化，依据体积效应，制备微波吸收纳米涂层对于隐型飞机的功能有很好的提升作用。同样纳米材料的“表面效应”也不容忽视因为超微粒子的表面布满了阶梯的结构，这类结构有较高的表面能，极易与外来原子键和，并且随着粒子直径的减少，表面的原子数急剧增多，界面的原子数可达总原子数的一半左右，这直接影响力材料的熔点，特别是化学反应时的催化特性。对于纳米材料的能级特点，研究发现当纳米材料的尺寸小于一定值时，费米能级的电子能级由准连续劈裂为分立能级。这个效应是由于纳米材料中的原子数是一定的，有限的。库伯等人的研究表明电子的分立能级的间距是与原子数成反比的（4Ef/3N），所以对于有限的原子数，电子能级的分立变得非常明显，这一点和材料的高的光学非线性特性和光催化特性有着密切联系。这个效应称为“量子尺寸”效应。对于“宏观量子隧道效用”是指微观粒子具有贯穿势垒的能力，这种效应在量子相干中的电荷，磁通量等宏观量中表现明显。纳米材料的另一个特性叫做“介电限域效应”是指光照射时，由于折射率不同产生了界面，邻近纳米半导体表面的区域﹑纳米半导体表面甚至纳米粒子内部的场强比辐射光的光强变大了。
正是由于纳米材料异于体材料的特性发展出了纳米半导体，纳米陶瓷，纳米催化材料，纳米计算机，纳米传感器等一系列新材料。
纳米材料的现代工业制备也是多种多样的，包括惰性气体蒸发凝聚法，水热法，水解法，气相法和化学沉淀等。
1.2 一些一、二维纳米材料的研究进展
二维晶体材料的研究与石墨烯的发现密不可分，在这以前，由于在热力学稳定性较差，稳定的二维晶体材料被认为是不存在的，但是当科学家用胶带机械剥离出结构时，把原先作为理论模型的单层石墨片在现实中制备出来后，对石墨稀这一类二维晶体材料的研究才逐渐展开。至此，对于石墨烯的物理性质和制备方式的研究短短十年内的到了大幅度的推进，除了制备大规模，低成本的石墨烯相关的技术有待提高，对石墨烯的研究热潮逐渐减弱。然而，近期，对于未合成材料，尤其是二维材料备受关注。在各种筛选理想的二维材料的方法中，一种是系统的探索元素周期表，例如，用同一族的元素替换掉已知单层中的元素。这一方法已经预言出了硅烯的存在。通过此方法有一些研究已经对类石墨烯结构，但组分不同的物质进行了系统的研究。这些物质主要有MoS2（单层结构和纳米带结构）BN结构材料，CrS2结构材料。
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