GaN纳米管和纳米带的结构稳定性及其电子性质的第一性原理研究

论文摘要

氮化镓（GaN）作为第三代半导体材料的代表,是一种重要的宽带隙半导体材料,具有优良的光电特性和稳定的物理特性,是当今世界上最为先进的半导体材料之一。它广泛应用于蓝、绿发光二极管、蓝光激光器、紫外波段的探测器以及高温、大功率集成电路,在微电子和光电子领域具有广阔的应用前景。随着微电子和光电子技术的快速发展,其集成化程度越来越高,器件的尺寸也越来越微型化,因而采用具有优异而独特性能的纳米材料制造纳米器件是很有现实意义的。实验及理论已经证明,一维GaN纳米材料能够在很大程度上改善蓝/绿/紫外光电器件的性能,因而一维GaN材料被看作是一种很有希望的材料。目前,尽管对一维GaN纳米材料的合成、掺杂、微观结构、及物性研究等已进行了大量的开拓性工作,但还处在初级研究阶段,对于发掘其新奇的特性以及合理利用其优良性能,仍面临巨大的挑战,因此还有必要对一维GaN材料进行较为深入的研究。作为典型的一维纳米材料,GaN纳米管和纳米带在力学、磁学和光学等方面表现出新奇的物理性能。本文采用基于密度泛函框架下的第一性原理投影缀加波方法系统研究了吸附、掺杂、填充的GaN纳米管以及完整和缺陷GaN纳米带的几何结构、稳定性及其电子性质。主要内容如下：1.GaN纳米管外壁吸附过渡金属的研究。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了过渡金属吸附在GaN纳米管外壁上的几何结构、稳定性、电子和磁性等性质。研究发现,对于过渡金属原子吸附在GaN纳米管外壁上,Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Cu,Pd和Pt最稳定的吸附位置是纳米管中氮原子的正上方,而Ni更愿意在纳米管中六元环中心的上方。我们发现d电子数少的过渡金属原子,形成作用力很强的键并且具有较高的结合能。而被10个3d电子完全填充Cu和Zn过渡金属原子有着相对低的结合能,Zn吸附几乎为零的结合能表明Zn仅仅能物理吸附在氮原子的正上方。Cr吸附的结合能是一个负值,这意味着Cr吸附过程是吸热过程。除了10电子填充4d轨道Pd原子的吸附外,其余吸附系统能带结构的带隙里出现了新杂质态,投影态密度揭示这些杂质态来源于过渡金属原子的d和s电子。对于Cu吸附,仅仅自旋向下的带穿过费米能级,这说明Cu吸附GaN纳米管系统具有半金属性质,由于100%的自旋极化率,半金属能被用在自旋电子学领域。一定量的电荷从过渡金属原子转移到GaN纳米管上,主要转移到最近邻的N原子上由于N原子较大的电负性。Sc,V,Cr,Mn,Fe,Co和Cu吸附（8,0）GaN纳米管系统有一个从0.60μB到4.98μB的净磁矩。2.氢吸附在碳掺杂GaN纳米管的研究。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了氢原子吸附在碳掺杂GaN纳米管外壁上的几何结构、稳定性、电子和磁性等性质。通过对相同吸附位置的比较,发现碳掺杂GaN纳米管比纯的GaN纳米管更易吸附氢原子。氢原子吸附在镓原子正上方位置诱导产生了一个杂质态对应于受主态。氢原子吸附在氮原子正上方位置也诱导产生了一个杂质态对应于施主态。与纯的GaN纳米管能带结构比较,发现碳替换掺杂诱导产生的杂质态位于纳米管的带隙里。碳原子替换一个镓原子掺杂GaN纳米管是n型掺杂。一个碳原子替换一个氮原子掺杂GaN纳米管是p型掺杂。一个氢原子吸附在碳掺杂的GaN纳米管中碳原子的正上方几乎能补偿碳原子在GaN纳米管中的掺杂影响。3.过渡金属掺杂GaN纳米管的研究。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了过渡金属掺杂GaN纳米管的几何结构、稳定性、电子和磁性等性质。对于3d过渡金属掺杂（5,5）和（8,0）GaN纳米管,3d过渡金属杂质附近的TM-N键长比在纯的（5,5）和（8,0）GaN纳米管的N-Ga键长短,并且3d过渡金属周围的N-Ga键长是不同于纯的（5,5）和（8,0）GaN纳米管中的N-Ga键长,显然,在3d过渡金属杂质周围的结构有一些变形。3d过渡金属掺杂（5,5）或（8,0）GaN纳米管的总磁矩与七种过渡金属的原子数的关系曲线的变化趋势是相似的,这表明掺杂系统的磁矩对于GaN纳米管的手性并不敏感。磁矩分布曲线先是逐渐上升达到最大值,然后曲线随着原子数的增加而逐渐降低,也就是说对于3d过渡金属掺杂（5,5）和（8,0）GaN纳米管的总磁矩的分布方式遵循洪特定则。Cr,Mn,Fe和Ni掺杂（5,5）GaN纳米管以及Cr,Mn,Ni和Cu掺杂（8,0）GaN纳米管稀磁半导体都表现出具有100%自旋极化的半金属特性,所以对于自旋电子学应用,这些掺杂系统是很好的稀磁半导体候选材料。4.镍纳米线填充GaN纳米管的研究。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了镍纳米线填充GaN纳米管的几何结构、稳定性、电子和磁性等性质。对于Ni5@（8,8）和Ni9@（8,8）系统,最初的形状（二次棱柱状的镍纳米线和圆柱状的（8,8）GaN纳米管）优化后都没有任何明显的变化。然而,当一个厚的Ni13纳米线填充GaN纳米管时,对于纳米管不仅形成四次棱柱状截面而且纳米管相对于纳米线关于公共旋转轴发生逆时针旋转。从形成能最小化分析,发现Ni13@（8,8）结构是最容易形成的。对于Nin@（8,8）系统,其形成能都是负值。一个反对称现象出现在费米能级附近,有更多的自旋向下带穿过费米能级相对于自旋向上带,Nin@（8,8）系统表现出金属的性质。磁矩分析表明,镓和氮原子没有磁化,填充系统和自由镍纳米线的磁矩随着单胞内镍原子数n的减少而增大,特别是细的纳米线封装入（8,8）GaN纳米管后,由于外围纳米管非常微弱的影响导致系统的磁矩与自由纳米线的类似。总态密度和电荷密度分析表明,Nin@（8,8）系统的自旋极化和磁矩均来自相应的镍纳米线,特别是对于Ni5@（8,8）和Ni9@（8,8）系统可应用于自旋电子首选传输的电路中。5.GaN纳米带的研究。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了完整和缺陷GaN纳米带的几何结构、稳定性、电子和磁性等性质。Nz-ZGaNNRs和Na-AGaNNRs的能带结构是相似,不同的是Nz-ZGaNNRs为间接带隙的半导体而Na-AGaNNRs是直接带隙半导体。Nz-ZGaNNRs和Na-AGaNNRs的带隙随着带宽的增加而逐渐减少并靠近单层GaN片的渐进限制线。外加电场能够调谐GaNNRs的结构和电子特性,随着增加的电场强度,6-ZGaNNR的带隙逐渐减少并带隙最终关闭在一个电场强度为7.5eV/A。对于8-ZGaNNR中不同位置的氮空位或镓空位,其空位形成过程是吸热的。而且在每一个对等的几何位置,氮空位的形成要比镓空位的形成容易。氮空位周围的三个最近邻的镓原子有一个向内弛豫,然而对镓空位周围的三个最近邻的氮原子有一个向外弛豫。除了VN4空位缺陷系统是非磁性外,对于VNi或VGai。（i=1,4和7）空位缺陷系统,在费米能级附近的自旋向上和自旋向下是不对称的。对于8-ZGaNNR中的VN1空位,自旋向上带穿过费米能级,然而自旋向下带在费米能级周围有一个带隙,这意味这VN1空位缺陷的8-ZGaNNR表现出半金属性质并具有100%极化率。VNi（i=1-7）缺陷的GaNNRs系统的电子和磁性性质是依赖于缺陷位置,然而对于VGai。（i=1-7）缺陷系统,它们的性质是很少依赖于缺陷位置,且VGai空位缺陷8-ZGaNNR的磁矩比VN1空位缺陷8-ZGaNNR的磁矩要大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 纳米材料概述
• 1.2 纳米材料的分类及基本效应
• 1.2.1 纳米材料的分类
• 1.2.2 纳米材料的基本效应
• 1.3 纳米材料的发展趋势
• 1.4 碳纳米材料的研究现状
• 1.4.1 碳纳米管
• 1.4.1.1 碳纳米管的发现与研究现状
• 1.4.1.2 碳纳米管的结构及分类
• 1.4.1.3 碳纳米管的性质和应用
• 1.4.1.4 碳纳米管的制备
• 1.4.2 石墨烯
• 1.5 GaN纳米材料的研究现状
• 1.5.1 GaN材料简介
• 1.5.2 GaN纳米管的理论研究
• 1.5.3 GaN纳米管的实验研究
• 1.5.4 GaN纳米带
• 1.6 本论文的研究内容
• 第2章 理论计算基础
• 2.1 第一性原理理论基础
• 2.1.1 引言
• 2.1.2 多粒子系统的Schrodinger方程
• 2.1.3 Born-Oppenheimer绝热近似
• 2.1.4 Hartree-Fock方法
• 2.1.5 密度泛函理论
• 2.1.5.1 Thomas-Fermi模型
• 2.1.5.2 Hohenberg-Kohn定理
• 2.1.5.3 Kohn-Sham方程
• 2.1.6 交换关联泛函的简化
• 2.1.6.1 局域密度近似
• 2.1.6.2 广义梯度近似
• 2.2 密度泛函理论的数值计算方法
• 2.2.1 赝势平面波方法
• 2.2.2 投影缀加波方法
• 2.3 结构优化
• 2.4 VASP软件简介
• 第3章 GaN纳米管外壁吸附的第一性原理研究
• 3.1 引言
• 3.2 单壁GaN纳米管的结构特征
• 3.3 计算方法和模型
• 3.3.1 计算方法
• 3.3.2 建立模型
• 3.4 过渡金属吸附GaN纳米管的稳定性和电子性质
• 3.4.1 过渡金属吸附GaN纳米管的稳定性
• 3.4.2 过渡金属吸附GaN纳米管的电子性质
• 3.5 氢吸附碳掺杂GaN纳米管的稳定性和电子性质
• 3.5.1 氢吸附碳掺杂GaN纳米管的稳定性
• 3.5.2 氢吸附碳掺杂GaN纳米管的电子性质
• 3.6 本章小结
• 第4章 过渡金属掺杂GaN纳米管电子结构和磁性的研究
• 4.1 引言
• 4.1.1 自旋电子学
• 4.1.2 半金属材料与稀磁半导体
• 4.2 计算方法和模型
• 4.3 计算结果与讨论
• 4.3.1 过渡金属掺杂GaN纳米管的稳定性
• 4.3.2 过渡金属掺杂GaN纳米管的电子性质
• 4.4 本章小结
• 第5章 镍纳米线填充GaN纳米管的结构和电子性质
• 5.1 引言
• 5.2 计算方法和模型
• 5.2.1 计算方法
• 5.2.2 建立模型
• 5.3 计算结果与讨论
• 5.3.1 镍纳米线填充GaN纳米管的稳定性
• 5.3.2 镍纳米线填充GaN纳米管的电子性质
• 5.4 本章小结
• 第6章 GaN纳米带的结构和电子性质研究
• 6.1 引言
• 6.2 计算方法和模型
• 6.2.1 计算方法
• 6.2.2 建立模型
• 6.3 计算结果与讨论
• 6.3.1 GaN纳米带的电子性质
• 6.3.2 缺陷GaN纳米带的电子性质
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间科研成果