低维六方氮化硼材料的第一性原理计算.pdf

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1、低维六方氮化硼材料的第一性原理计算作者姓名尤晓杰导师姓名、职称雷天民教授一级学科材料科学与工程二级学科材料物理与化学申请学位类别工学硕士提交学位论文日期2014年11月学校代码10701学号1205122216分类TN82号TN3密级公开西安电子科技大学硕士学位论文低维六方氮化硼材料的第一性原理计算作者姓名：尤晓杰一级学科：材料科学与工程二级学科：材料物理与化学学位类别：工学硕士指导教师姓名、职称：雷天民教授提交日期：2014年11月First-PrinciplesCalculationofLowDimensionalHexa

2、gonalBoronNitrideAthesissubmittedtoXIDIANUNIVERSITYinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterinMaterialsScienceandEngineeringByYouXiaojieSupervisor:Prof.LeiTianminNovember2014西安电子科技大学学位论文独创性（或创新性）声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果

3、。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文若有不实之处，本人承担一切法律责任。本人签名：日期：西安电子科技大学关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅、借阅论文；

4、学校可以公布论文的全部或部分内容，允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，获得学位后结合学位论文研究成果撰写的文章，署名单位为西安电子科技大学。保密的学位论文在年解密后适用本授权书。本人签名：导师签名：日期：日期：摘要摘要六方氮化硼因其独特的光、电和磁特性以及在微电子领域潜在的应用前景，已经成为了相关领域的研究热点材料之一。本文借助MaterialsStudio软件，运用基于密度泛函理论的第一性原理，计算了含有空位缺陷和替位式掺杂缺陷的h-BN单层以及不同边界条件氮化硼纳米带的光、电、磁性质。具体分析能带结构、

5、态密度、电子轨道以及光学性质，得出了以下结论：1.当h-BN单层中存在空位缺陷时，B原子空位（VB）相比N原子空位（VN）更容易形成。VB和VN的总磁矩分别为2.56μB和1.18μB，空位处原子的不同性质2导致了磁性的不同，N原子保持sp杂化轨道，电子互相并不配对；而B原子会互2相靠近，sp杂化轨道的电子跃迁到Pz轨道并形成π键，电子配对导致磁性削弱。当h-BN单层中存在双原子空位时，相邻的空位间B-B成σ键，磁性由N原子提供；相隔的空位间会发生电子交换作用导致磁矩只有2.03μB。在光学性质方面，B原子空位增加了对深紫外光

6、的利用率；而N原子空位则表现在对可见光波段吸收能力的增强。2.在碳原子替位式掺杂h-BN体系中，双碳原子替位掺杂相邻的N原子和B原子时最稳定。由于4价电子的特性，单个C原子掺杂体系会产生自旋极化，且自旋电子在C-Pz轨道运动；若把杂质原子数量提升为2，同位点掺杂会使磁矩增加，异位点时则由于C原子之间的电子移动配对导致磁性消失。对比Si、Ge掺杂h-BN发现，同样情况下，替位B的体系形成能低，稳定性好；同时发现，替位N后，由于晶格畸变，禁带中会出现更多的杂质能级，且电子结构的变化和形变程度相关。3.当3d过渡金属（TM=Sc、T

7、i、V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni）替位h-BN的B原子后，体系表现出较大的磁性，磁矩的大小随TM价电子数的增加表现先增后降的趋势，在掺杂Fe时达到5μB的最大自旋磁矩。分析杂质原子分态密度和电荷分布发现，TM掺杂h-BN单层后磁性的产生与TM-N离子性导致的电子转移相关。4.通过对不同宽度、不同边界下条件的氮化硼纳米带（BNNR）的电子特性和光学性质的研究发现：扶手椅形氮化硼纳米带（ABNNR）和之字形氮化硼纳米带（ZBNNR）分别为直接和间接带隙半导体，且ZBNNR的禁带宽度与纳米带宽度成反比例关系。计算结果显示：不同边

8、界导致两种BNNR的光学性质差异很大；当纳米带宽度分别到达7和8后，ZBNNR和ABNNR的光学系数会发生跳跃式变化。说明可以通过纳米带边界和宽度的调节实现对BNNR电子结构和光学性质的I西安电子科技大学硕士学位论文调控。关键词：第一性原理，六方氮化硼，空位，掺杂，纳米带论文