若干低维结构和器件的第一原理研究与设计

论文摘要

本论文用第一原理方法对若干低维体系的性质进行了计算模拟,并对一些低维电子器件的设计提出了构想。首先,本论文研究了通过外界磁性掺杂和自身结构缺陷在III-V族半导体纳米管（GaN、BN纳米管）中引入局域磁性的两种模式:顶端Mn原子掺杂的GaN纳米管和开口的BN纳米管。对于第一种模式,用单个Mn原子替位Ga原子会在体系中引入4μB磁矩,这主要是Mn原子的3d轨道和其最近邻N原子的2p轨道的贡献。对于第二种模式,开口BN纳米管管口处的悬挂键会在体系中引入磁矩,并且磁矩的大小取决于纳米管的手性。以上两种模式都导致了体系有显著的自旋劈裂,然而物理机制完全不同。在此基础上,我们具体设计了几种基于III-V族纳米管的一维自旋电子器件。接下来我们进一步研究了GaN、BN两种纳米管簇在横向外压下的不同相变行为,讨论了其中不同的相变机制。GaN纳米管簇中如果管间距足够小,纳米管之间就会发生自发簇集效应,通过sp2-sp3的杂化转变形成多孔GaN相。我们从微观原子结构的角度对BN纳米管簇在横向外压下的相变过程进行了描述,指出曲率效应以及纳米管手性与管簇晶胞对称性匹配对BN纳米管簇受压相变的重要影响。在一系列BN新相中,我们发现了密度最小的BN晶体相和能隙最大的BN晶体相。最后我们针对另一个低维体系――KNbO3/（KTaO3）m短周期铁电超晶格,从理论上模拟了其极化随组分变化的行为,指出在B位离子调制的铁电-顺电钙钛矿超晶格中由于氧八面体的对称破缺,导致随着顺电材料组分增加,体系的自发极化行为会很快消失从而变成顺电体。我们同时从理论上直接验证了1×1 KNbO3/KTaO3超晶格中存在反铁电相。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纳米管——新型的准一维结构
• 1.3 铁电体超晶格——另一个低维量子体系
• 1.4 第一原理计算方法
• 1.5 论文内容和安排
• 第2章 第一原理方法
• 2.1 引言
• 2.2 绝热近似
• 2.3 密度泛函理论（Density Functional Theory）
• 2.4 交换关联泛函（Exchange-Correlation Functional）简述
• 2.5 原子轨道线性组合方法和赝势平面波方法
• 2.6 自洽场（Self-Consistent Field）方法
• 2.7 本章小结
• 第3章 基于III-V 族半导体纳米管的电子器件设计
• 3.1 引言
• 3.2 顶端Mn 原子掺杂的GaN 纳米管自旋电子器件设计
• 3.3 基于开口BN 硼纳米管的自旋电子器件设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 III-V 族半导体纳米管簇
• 4.1 引言
• 4.2 GaN 纳米管簇的自发形变
• 4.3 BN 纳米管簇在外压下的相变行为
• 4.4 本章小结
• 第5章 短周期铁电超晶格
• 5.1 引言
• 5.2 模型与方法
• 3/（KTaO₃）m 超晶格在短周期下的极化行为'>5.3 KNbO₃/（KTaO₃）m 超晶格在短周期下的极化行为
• 5.4 A 位调制和B 位调制铁电超晶格极化行为的不同
• 3/KTaO₃ 超晶格的反铁电行为'>5.5 1×1 KNbO₃/KTaO₃超晶格的反铁电行为
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果