论文摘要
半导体纳米结构由于其独特的物理特性以及在光电领域中潜在的应用受到人们的广泛的重视,随着研究的深入,各种新颖的低维纳米结构如纳米管、纳米丝、纳米带、纳米薄膜和纳米同轴电缆等相继被发现。GaN、AlN纳米线与纳米管都是非常重要的半导体纳米结构材料,它们在自旋电子学、储氢、光电转换、催化等方面都有着广泛的应用。探究半导体纳米结构体系的磁性来源一直是磁电子学领域研究的热门课题,而寻找储氢容量大,又容易释放氢的新型纳米结构材料是氢能大规模应用的关键。由于半导体纳米结构的复杂性,实验的研究难度很大。随着计算机硬件技术和量化计算方法的不断发展,计算模拟已成为材料科学研究的重要方法。本文采用第一性原理方法主要研究了（1）空位在GaN纳米线中诱发磁性,为了比较计算结果,我们也计算了GaN三维块体和二维薄膜中的空位;（2）锯齿型和扶手椅型AlN纳米管吸附H原子和H2分子;（3） Si表面吸附Mn原子和Nb团簇。主要结论如下:1、纤锌矿GaN块体材料、二维薄膜和一维纳米线中,本征缺陷Ga空位都可以形成。对于GaN（ 112 0）薄膜结构,在薄膜表面形成Ga空位所需的形成能明显小于表面下层结构的形成能。在一维GaN纳米线内部,形成Ga空位所需的能量与块体和薄膜表面下层结构接近,而在GaN纳米线的表面,形成能减小了很多,这表明Ga空位更容易在GaN纳米线的表面形成。这是因为在GaN纳米线表面需要打破的Ga-N共价键比内部要少。无论Ga空位位于GaN块体材料和薄膜中任意位置,每个Ga空位都可以产生3.0μB的磁钜。纯的和氢原子钝化的GaN纳米线的表面形成的Ga空位,每个Ga空位可产生1.0μB的总磁矩,而在纳米线的内部每个Ga空位可产生3.0μB的磁矩。尽管Ga空位在纳米线的内部产生的磁矩大于Ga空位在纳米线的表面产生的磁矩,但是Ga空位更容易在GaN纳米线的表面形成,这样不经过掺杂就可形成磁性纳米线。无论Ga空位位于没有进行几何结构优化的GaN纳米线的任何位置,每个Ga空位都可产生3.0μB的磁矩,原子的驰豫仅影响纳米线表面的磁矩。GaN块体、二维薄膜和一维纳米线中,各种Ga空位结构磁性主要来自于Ga空位最近邻N原子的自旋极化的N-2p电子轨道。对于两个两个Ga空位之间的耦合,所有结构更有利于铁磁耦合,而且这种耦合为长距离铁磁耦合。2、对于单个氢原子吸附在（8, 0）和（5, 5）AlN纳米管内、外的各种可能的位置进行了计算,结果表明氢原子在管内和管外最稳定的吸附位都是位于氮原子之上。当氢原子吸附在铝原子和六角中心之上,整个体系具有磁性,总磁矩大约为1.0μB,其主要来源于氢原子和最近邻的氮原子。各种吸附结构的势垒都比较小说明吸附结构不是很稳定,吸附的氢原子很容易转变成其它形式或者释放出去。我们计算了氢原子覆盖率为25%,50%,75%,100%,133%和200%的各种吸附体系的吸附能,结果表明氢原子覆盖率为100%的结构吸附能最有利,这种吸附模式对应（8, 0）和（5, 5）AlN纳米管的吸附能分别为-2.355和-2.305eV。对于氢分子吸附在锯齿型和扶手椅型的AlN纳米管内、外的各种可能的位置进行了研究,我们发现所有氢分子吸附为物理吸附。吸附能最有利的吸附结构是氢分子位于（8, 0）和（5, 5）AlN纳米管中铝原子之上,考虑到每一个铝原子在管内外都能吸附一个氢分子,这种吸附模式对应的氢质量密度为8.89%,它超过了美国能源局2010年设定的6%的目标。经过几何结构优化,我们发现它仍就保留了非常完美的管状结构,而且吸附能介于物理吸附的范德华力和化学吸附的化学键之间,大约为0.2 0.4eV。3、对于紧密排列的Mn原子以及Nb4团簇在Si表面吸附计算,结果表明Mn吸附模型中的Si-Si二聚体的键长与干洁的Si表面比较相当程度的拉长,而且二聚物中的反对称行显著地被抑制。对于0.5 ML覆盖度的Mn原子,i吸附位为能量最稳定的结构;而1 ML覆盖度的Mn原子,h+i吸附位为最稳定的结构。在所有可能的吸附模式中,b吸附位的自旋磁矩最大。i和h+i吸附结构中Si表面明显呈现金属性。对于Nb4团簇吸附在Si（001）表面,我们发现四面体和菱形结构的Nb4团簇都能稳定的吸附在Si（001）（4×2）表面,而且各个吸附位之间的扩散势垒都非常高,Nb4团簇在在Si（001）表面相当稳定。另外,通过3D-和2D-Nb4团簇在Si（001）表面的电荷密度差轮廓表明吸附的Nb4团簇与Si（001）基底之间存在强烈的相互作用。因此,这种在在Si（001）表面高度稳定的Nb4团簇在超高密度记忆、催化技术以及纳米结构技术中具有重要的应用价值。