应力对h-BN的电子和光学性质的调制效应

论文摘要

六角氮化硼是一种层状的宽带隙半导体材料,由于其类似于石墨的结构特征和在光电器件方面的潜在应用,已经受到大家广泛关注。随着实验上六角氮化硼单晶的成功制备,使其器件化成为可能。虽然到目前为止,实验上可以通过多种方法制备出高纯度的六角氮化硼单晶,但是对于六角氮化硼的多种物理本质问题还存在争议,如堆垛次序,带隙类型及带隙值等。器件小型化已经成为一种趋势,单层和多层的六角氮化硼片在实验上的成功制备,使其在纳米器件上的应用成为可能。因为六角氮化硼是一种柔软的层状材料,所以器件化六角氮化硼的结构、电子和光学性质很容易受到外应力的影响而发生变化。本文基于第一性原理方法系统研究了外应力对六角氮化硼的电子结构和光学性质的影响,并且基于第一性原理和非平衡格林函数方法对基于双层六角氮化硼片的隧穿磁阻结在外应力下的隧穿磁阻效应进行了理论研究,并且取得了如下主要的成果:我们系统研究了流体静压力对六角氮化硼五种相对稳定堆垛(AA, AB, AD, AE和AF)的电子性质和光学性质的影响。通过态密度、能带结构、差分电荷密度及介电常数虚部等手段分析了流体静压力对六角氮化硼电子结构和光学性质影响的原因。结果发现随着流体静压力的增大,六角氮化硼五种堆垛的带隙不同程度地减小,并且当流体静压力增大到9.19 GPa时,AA堆垛从间接带隙转换为直接带隙。六角氮化硼五种堆垛的带边吸收限除AB以外随着流体静压力的增大都发生红移。在上述工作的基础上,我们系统分析了单轴应力对六角氮化硼的电子结构和光学性质的影响。通过能带结构和态密度分析了六角氮化硼五种堆垛带隙及带隙类型在单轴应力下的演化规律。结果发现五种堆垛的带隙随着单轴应力的增大而减小,并且单轴应力可以对AA堆垛的带隙类型进行调制,进一步研究发现单轴应力的增大导致六角氮化硼的电子向层间转移。最后通过介电常数分析发现随着单轴应力的增大,AB堆垛的带边吸收限先发生红移,再发生蓝移,而其他堆垛都发生红移。由于双层六角氮化硼片在隧穿磁阻结方面的潜在应用,我们研究了单轴应力对基于双层六角氮化硼片的隧穿磁阻结的隧穿磁阻效应的影响,通过对体系传输电导和隧穿磁阻(TMR)的计算得到了单轴应力对该磁阻结的隧穿磁阻效应的调制效应。结果发现随着单轴应变的增大,体系的TMR值近线性增加,并且当单轴应变达到2.51%时,体系的TMR值达到95%,接近于理想的自旋过滤器。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 BN 的同素异构体
• 1.3 h-BN 研究的发展及现状
• 1.4 应力对材料性质的影响
• 1.5 磁阻效应
• 1.5.1 巨磁阻效应简述
• 1.5.2 隧穿磁阻效应（TMR）
• 1.6 本文的目的和研究内容
• 第2章 理论和计算方法
• 2.1 第一性原理方法
• 2.2 密度泛函理论
• 2.2.1 Hohenberg-Kohn（HK）定理
• 2.2.2 Kohn-Sham 方程
• 2.2.3 局域密度近似与广义梯度近似
• 2.3 非平衡格林函数
• 2.3.1 Landauer 模型
• 2.3.2 非平衡格林函数
• 2.4 表征材料光学性质的物理量
• 2.5 相关软件包简介
• 2.5.1 VASP 软件包
• 2.5.2 ATK 软件包
• 第3章 流体静压力对h-BN 的电子结构和光学性质的影响
• 3.1 引言
• 3.2 理论方法与模型
• 3.3 流体静压力对h-BN 的结构、电子性质和光学性质的影响
• 3.3.1 流体静压力对h-BN 结构性质的影响
• 3.3.2 流体静压力对h-BN 电子性质的影响
• 3.3.3 流体静压力对h-BN 光学性质的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 单轴应力对h-BN 的电子结构和光学性质的影响
• 4.1 引言
• 4.2 理论方法和模型
• 4.3 单轴应力对h-BN 结构性质的影响
• 4.4 单轴应力对h-BN 电子性质的影响
• 4.5 单轴应力对h-BN 光学性质的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 双层h-BN 的隧穿磁阻效应对单轴应变的线性响应
• 5.1 引言
• 5.1 理论方法
• 5.2 基于bi-BN 的MTJs 的结构性质
• 5.3 单轴应变下的基于bi-BN 的MTJs 传输电导
• 5.4 单轴应变下的bi-BN 的能带结构
• ||-resolved 传输电导'>5.5 单轴应变下的Ni|AA|Ni MTJs 的k_||-resolved 传输电导
• 5.6 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、攻读硕士期间完成的论文及获奖情况