几种新型低维材料的半金属性及输运性质研究
当前，计算机技术已经被广泛应用于科学研究领域。高性能计算可以模拟尚无法实现的实验，理论预测材料的电子、光学、磁性和热学等基本物理性质，从而理论上指导实验过程，节省实验费用和时间。而基于密度泛函理论的第一性原理则为研究材料性质提供了强有力的理论支持。 磁性材料，尤其是半金属铁磁体的研究是当今材料研究领域的一个热点。半金属铁磁体由于具有完全的自旋极化，是制备自旋电子学器件和磁性存储器件的重要材料。在实际的应用器件中，它们常常以薄膜的形式存在，而其表面和界面通常会表现出不同于块材的独特性质。因此很有必要对这类材料的表面和界面电子结构和性质进行详细研究。首先，我们基于密度泛函理论的第一性原理方法，研究了半金属材料钙钛矿相BaCrO3的二维的(001)表面的结构、稳定性、磁性和半金属性等一系列相关物性的变化，探讨了其作为材料制备自旋电子学器件的可能性。由于Cr原子含有3d电子，我们计算中考虑电子的强关联效应，采用了适用于处理强关联体系的“GGA+U”的方法。其次，由于最近闪锌矿相MnSb在实验上被成功合成，并且被理论预言其在室温下还能够保持高度的自旋极化，我们构建了二维的MnSb/GaSb(001)和(111)界面并进一步研究了各界面的稳定性、半金属性和磁性等。计算结果表明这些界面都表现出半金属性或近半金属性，预言了闪锌矿相 MnSb用作自旋电子学器件的的可能性。 在对上述二维电子学器件理论研究的基础上，我们又进一步研究了基于一维六角氮化硼(h-BN)纳米带的电子学器件。我们通过对一维armchair型氮化硼纳米带进行掺杂、钝化等构建了新型的纳米器件。利用非平衡态格林函数结合密度泛函理论的第一性原理方法，重点研究了其在电输运过程中出现的整流效应和负微分电阻效应，为将来器件的实际应用提供理论基础。首先，我们用碳原子有规律地替代一维氮化硼纳米带中的同种原子，并且通过调控掺杂位置和掺杂浓度，成功实现了毫伏偏压下的巨负微分电阻效应，并进一步理论预测负微分电阻峰可以在低于毫伏偏压范围实现。其次，我们通过碳同时替代氮和硼原子，构建了基于 armchair型氮化硼纳米带的p-n结。计算表明，这类p-n结不仅具有巨负微分电阻效应，还在很大的偏压范围能保持高达106的巨整流率。所以我们预言这类p-n结可以用作具有负微分电阻和整流效应的多功能纳米器件。我们的研究表明，掺杂的氮化硼纳米带具有制备实际电子器件的巨大潜力。
第一性原理;密度泛函理论;低维材料;半金属性;输运性质
华中科技大学
博士
凝聚态物理
姚凯伦
2014
中文
TB383
107
2016-05-04（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）