论文摘要
碳纳米材料因其众多的同素异形体结构以及独特的物理化学性质成为纳米科学最活跃的研究领域之一,在计算机技术、环保、能源、航空、纳米电子学等领域有着广阔的应用前景。碳纳米材料的种类众多,包括富勒烯、纳米管、石墨烯、纳米带、纳米角以及石墨炔。如何根据不同的应用需求,有效地调控碳纳米材料的电子结构成为当前研究的重点。氮化硼纳米材料与碳纳米材料在结构上具有相似性,可以形成多种类型的碳/氮化硼异质结构,这为碳纳米材料的性能调控提供了一条有效的途径。本论文利用基于密度泛函理论（Density Functional Theory）的第一性原理方法（First-principles Theory）系统的研究了准一维碳/氮化硼纳米管、纳米带异质结构以及准二维的石墨烯/氮化硼双层异质结构的构型、能量稳定性以及电子结构特性,揭示了多种碳/氮化硼纳米异质结构的电子特性调控规律,为这些纳米异质结构的合成和应用提供了重要的理论依据。本论文主要包括以下几个方面的内容：（1）碳纳米管异质结在实验室已经合成,但是由于碳纳米管的手性不容易控制,导致异质结的性能不够稳定。为此寻找基于碳纳米管的新型纳米管异质结来提升异质结的性能变得十分迫切。本论文系统的研究了锯齿型（zigzag）和扶手椅型（armchair）碳/氮化硼纳米管异质结的界面结构和电子性质。我们发现,在异质结的界面处并没有晶格失配和缺陷,但是由于界面处碳纳米管π键的不连续,导致在带隙中出现了界面态。界面处电荷的重构引起了内建电场并影响到异质结静电势的分布。对于zigzag型异质结而言,电荷的重新分布发生在两个不同界面之间,因此形成了大范围的锯齿型的内建电场,但是对于armchair型的异质结而言,仅界面附近有电荷重新分布,所以形成了局域的阶梯型的内建电场。通过界面原子的混合,极性的zigzag型的异质结也可以转变为非极性的,相应的内建电场形式也发生变化。带阶计算表明,所有碳/氮化硼纳米管异质结都为Ⅰ型半导体。单一界面的碳/氮化硼纳米管团簇也具有Ⅰ型的半导体特性,其中含有单一N/C界面的异质团簇,具有较好的场发射性质。（2）准一维的石墨烯纳米带由于横向量子尺寸效应具有与二维的石墨烯不同的电子特性,尤其是zigzag边界的石墨烯纳米带在外加横向电场的作用下呈现出半金属的特性,在自旋电子学领域具有潜在的应用价值。在本论文中,我们选取了由石墨烯纳米带和BN纳米带组成的含有单一C/B或C/N界面的纳米带异质结构（biribbon）,通过改变C或BN部分的宽度来有效地调节石墨烯纳米带的电子性质。研究发现,随着石墨烯纳米带宽度的增加,异质结构呈现出半导体→半金属→金属的转变,并具有铁磁性。而其中氮化硼纳米带的宽度变化对这种转变没有影响。因此,实验上可以通过在氮化硼纳米带的边沿外延生长石墨烯纳米带并控制其宽度从而实现特定功能的需要。（3）石墨烯在狄拉克点附近的线性色散关系和高的载流子迁移率是碳基纳米器件的合适材料。但是它具有的零带隙特性却在场效应晶体管等器件上的应用受到了很大限制。在本论文中,我们提出通过将石墨烯沉积在氮化硼单层上形成异质结构,会在石墨烯中打开一个带隙。我们选取了四种不同的堆垛类型,研究发现,带隙的大小以及载流子的有效质量可以通过层间距和堆积方式来调控。这种石墨烯/氮化硼双层异质结构的载流子有效质量小于石墨烯双层,因此能够获得更高的载流子迁移率。对于特殊的堆垛方式,异质结构的形成不仅可以有效地打开石墨烯的带隙,而且还能够最大程度上保留载流子在狄拉克点附近的线性色散关系,为制备高性能的纳电子器件提供了重要的理论依据。
论文目录
相关论文文献
- [1].三维海胆状CH_3NH_4PbI_3/TiO_2异质结构材料的制备及其光催化性能研究[J]. 化工新型材料 2020(10)
- [2].钻孔密封段异质结构变形损伤及影响因素分析[J]. 煤矿安全 2019(06)
- [3].石墨烯-六方氮化硼面内异质结构的扫描隧道显微学研究[J]. 物理学报 2015(07)
- [4].原位界面工程构建二元过渡金属碳化物异质结构及其高效全解水性能研究（英文）[J]. Science Bulletin 2020(08)
- [5].基于液相法二维异质结的空间结构可控制备（英文）[J]. 物理化学学报 2019(10)
- [6].二维范德华异质结构在光催化领域的应用[J]. 化学世界 2018(11)
- [7].GNR-TiO_2/g-C_3N_4异质结构的制备及其性能研究[J]. 上海电力学院学报 2016(04)
- [8].石墨烯-六方氮化硼异质结构的古斯-汉欣位移调控[J]. 激光与光电子学进展 2020(13)
- [9].In_2TiO_5/In_2O_3异质结构的制备及光催化性能[J]. 高等学校化学学报 2015(09)
- [10].可见光波段超材料左手行为及左手异质结构捕获彩虹效应[J]. 功能材料 2013(22)
- [11].含负折射率材料的异质结构光子晶体的光学传输特性[J]. 发光学报 2010(03)
- [12].含吸收介质的光子晶体法布里-珀罗异质结构的传感特性研究[J]. 光学学报 2017(02)
- [13].不对称沉积合成PdS-CdSe@CdS-Au一维纳米异质结构及其光解水制氢性能（英文）[J]. 催化学报 2018(03)
- [14].一维含缺陷光子晶体异质结构的电磁传输性质[J]. 河南理工大学学报(自然科学版) 2011(01)
- [15].纳米n-ZnO/p-GaN异质结构的制备与特性研究[J]. 中小企业管理与科技(上旬刊) 2017(12)
- [16].自组装制备In_2Se_3/SnSe_2异质结构阵列来抑制暗电流和增强对弱信号的响应（英文）[J]. Science China Materials 2020(08)
- [17].铁磁异质结构中的超快自旋流调制实现相干太赫兹辐射[J]. 物理学报 2018(19)
- [18].过渡金属硫属化合物层间异质结构的可控制备和能源应用[J]. 科学通报 2017(20)
- [19].拓扑绝缘体-超导体异质结构的电输运研究进展[J]. 科学通报 2013(04)
- [20].半导体与多种异质结构的磁性与调控[J]. 电子技术与软件工程 2018(09)
- [21].多孔黏土异质结构材料的制备及其吸附环己酮的性能研究[J]. 环境污染与防治 2016(10)
- [22].基于方向带隙差异的二维光子晶体异质结构的单向分束特性[J]. 量子电子学报 2014(01)
- [23].基于光子晶体异质结构的磁可调石墨烯多带吸收[J]. 发光学报 2020(05)
- [24].Bi_2O_3/Bi_2WO_6异质结光催化剂的制备及其活性[J]. 石油学报(石油加工) 2019(01)
- [25].二维材料异质结构光电探测研究进展[J]. 山东化工 2019(08)
- [26].纳米Cu_2O/Cu异质结构材料的制备研究[J]. 中国科技投资 2012(21)
- [27].两步法合成ZnO/TiO_2异质结构[J]. 材料工程 2008(10)
- [28].多孔ZnO-SnO_2异质结构的制备及气敏特性研究[J]. 山东化工 2019(12)
- [29].石墨烯/氮化硼异质结构的热致旋转现象观测研究获进展[J]. 人工晶体学报 2016(12)
- [30].基于二维材料WX_2构建的范德华异质结的结构和性质及应变效应的理论研究[J]. 物理化学学报 2019(04)
标签：氮化硼纳米异质结构论文; 密度泛函理论论文; 电子结构论文; 场发射特性论文; 性能调控论文;