完全氢吸附的氮化硼薄膜的物性研究

论文摘要

自从2004年石墨烯被发现之后，原子尺度薄膜材料便引起了科技界的广泛兴趣。在这样的（准）二维材料中，一些新颖的现象不断被发现，如常温下量子霍尔效应以及一些量子拓扑现象等。石墨烯所具有的超高载流子迁移率使得它对下一代电子输运器件的极具应用价值。然而，它的金属性却限制了它在逻辑电子器件中的应用。继石墨烯之后，氮化硼单层膜是另一种被发现的（准）二维材料。单层氮化硼是一种绝缘体，使得它也不能应用于电子输运器件，如场效应晶体管。如果我们能找到一种方法来调控这些原子尺度薄膜材料的能隙，如使石墨烯转变成半导体或者减小氮化硼的能隙至半导体范围，将是十分有意义的。本文利用基于密度泛函理论的第一原理计算软件系统研究了完全氢吸附氮化硼薄膜材料的结构和电子性质，并重点研究了在外加垂直电场下的电子结构变化。结果表明：氮化硼薄膜吸附氢原子后原子平面发生皱褶，原子成键方式转变为sp3杂化轨道。多层氮化硼有多种构型方式，其中堆积方式对结构稳定性影响不大，层间以B-N成键的结合最为稳定。单层时带隙为4.57eV，随着层数的增加逐渐减小并最终在n=4时关闭，从而转变为导体。对各层全附氢氮化硼施加垂直电场后，带隙随外加电场的增加而呈近线性地递增。最重要的是，带隙的电场调制作用随层数增加而越来越明显，并且在很大的范围内是直接带隙，这对于电子学和光电子学方面的应用都极具重要价值。我们进一步应用紧束缚模型方法讨论上述现象。紧束缚模型中所用参数是以文献中相关数据作为初始值，并与第一原理计算结果进行拟合得到。我们计算了能带结构随层数和外加电场的变化关系以及电子态的空间分布，所得结果在趋势上与第一原理结果较为符合，验证了半经验参数法的可行性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米材料
• 1.2 类石墨烯材料
• 1.3 研究现状和本论文工作
• 第二章 密度泛函理论及其计算结果
• 2.1 密度泛函理论
• 2.1.1 波恩-奥本海默（BO）近似
• 2.1.2 单电子近似
• 2.1.3 平均场近似和 Hatree-Fock 自洽场
• 2.1.4 密度泛函理论（DFT）
• 2.2 参数设置及计算结果
• 2.2.1 计算参数设置
• 2.2.2 单层全附氢氮化硼
• 2.2.3 多层全附氢氮化硼
• 2.2.4 电场对多层氮化硼的调制作用
• 2.2.5 本章小结
• 第三章 经验参数法及其计算结果
• 3.1 半经验电子结构计算方法
• 3.1.1 紧束缚模型的建立
• 2的哈密顿矩阵'>3.1.2 BNH₂的哈密顿矩阵
• 3.1.3 多层情况的哈密顿矩阵
• 3.1.4 外加电场作用
• 3.1.5 参数拟合方法
• 3.2 计算结果
• 3.2.1 参数选取
• 2计算结果'>3.2.2 BNH₂计算结果
• 3.2.3 本章小结
• 第四章 总结与展望
• 4.1 总结
• 4.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文