Dirac材料钝化Sb烯的电子结构与输运特性研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

设计目的及意义：石墨烯作为现在世界上已知的最薄的材料，首次制成是英国科学家geim教授研究小组于2004实现[1]。因其特殊的单原子层结构和独特的物理性质，特别是载流子极高的带边迁移率使其成为了近几年材料科学领域的研究热门[2]。它的能带结构在费米能级附近呈现能量与波矢满足线性色散关系，形成dirac锥型结构，所以需用dirac方程进行描述，石墨烯以及同样具有这样物理性质的材料又被称为dirac材料[3]。dirac材料所具有的独特性质使其极有可能应用于下一代电子器件的设计和制造[4]。而其中相比于石墨烯等iv族元素已有的广泛研究，锑烯作为v族元素是极少被研究的崭新研究方向，其具有巨大的研究价值和广阔的未来应用方向。

实际制作和应用中单层dirac材料通常要做表面钝化修饰以便可以工作于不同的化学环境，但钝化往往会导致在费米面附近打开能隙、dirac锥特征畸变甚至消失。武汉理工大学王嘉赋教授带领的团队的最新的研究表明，单层v族元素在用卤族元素做表面钝化后反而由有带隙的半导体变成了有dirac锥的体系。因此，考察卤素钝化sb烯的能带结构、电子态密度和电子输运特性（如迁移率等），便成为空前迫切的要求。特别是其中对其电子输运特性的研究仍属于空白，本次设计正是为了完成相应的工作，对结果进行分析研究，为进一步研究和讨论其应用和发展前景做铺垫。

国内外研究现状分析：2008年e.h.hwang等人利用玻尔兹曼输运理论计算了受声子散射限制的二维石墨烯结构电导率，根据结果得出了受声子散射限制的电子迁移率是温度t和载流子密度n的函数，并提出低温时的布洛赫-格林现象是由未屏蔽的电声耦合造成的[5]。2013年，陈岚等人验证了硅烯的电子狄拉克-费米特性，并在低温下观察到可能是低温超导转变的现象[6]。同年z.g.shao等人综合利用密度泛函理论、玻尔兹曼输运方程，和形变势理论计算得出了室温下硅的本征载流子迁移率（即包括电子迁移率和空穴迁移率）略低于石墨烯[7]。同年j.y.wang等人利用密度泛函理论和玻尔兹曼输运方程计算得出了嵌入氮化硼的石墨烯在室温下的载流子迁移率，且发现通过调节碳浓度其值在广泛的宽度内可调，其中带隙介于0.38到1.39电子伏之间[8]。同年10月j.y.wang等人对众多二维结构材料的结构和电子特性进行了总结，研究了其中dirac点是如何出现，移动和重合的。并且，提出了利用冯·诺依曼-维格纳理论来解释在众多二维结构系统中没有狄拉克点的原因，由此指出了材料若要出现dirac点则对于对称性、参数设置、费米能级，和能带重合都有严格的要求。另外讨论了结构特点与dirac点存在与否之间的联系[9]。2016年，t.t.jia等人根据密度泛函理论和广义梯度近似细致研究了石墨烯结构中单轴向张力对带隙展开的作用[10]。

2. 研究的基本内容与方案

本内容：学习并掌握第一性原理计算软件（如castep，vasp或atk等）的使用。掌握查询晶体结构信息的途径和方法，了解晶体结构信息的标注方法和意义，并利用掌握的第一性原理计算软件建立锑烯及其卤族元素钝化的晶胞模型。了解不同计算软件的优化方法和与实验测试结果相比的可靠性，对比分析后利用较为可靠的进行结构优化。之后按同样的步骤分别计算本征锑烯的电子结构，和本征锑烯的电输运特性。随后再分别计算卤素钝化后锑烯的电子结构以及卤素钝化后锑烯的电输运特性。

目标：根据对本征锑烯和卤素钝化后的锑烯计算得出的结果进行分析，考察有卤族元素缀饰（表面钝化）时sb烯的电子结构（能带和电子态密度），并在此基础上研究该体系的电子输运特性。

拟采用的技术方案及措施：利用ms分别建立锑烯及其钝化后的晶胞模型，从materials studio结构库里提供的常见晶体结构中查找或由无机晶体结构数据库（icsd）查询得出晶体结构信息，根据实际难易程度选择直接输入或通过ms modeling进行建模。之后进行ms或vasp进行几何优化（主要包括晶格常数和内点坐标优化）得到更加稳定的晶体结构，最后利用ms的castep模块或vasp计算电子结构（如能带和态密度等），利用atk或ms（dmol3新增基于非平衡格林函数法(negf)计算电子输运性能）来计算和研究电子输运性

3. 研究计划与安排

第4－5周：单层本征锑烯的电子结构计算。

第6－7周：本征锑烯的电输运特性研究。

第8－9周：卤素钝化后锑烯电子结构计算。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] k.s. novoselov, a.k. geim, s.v. morozov, d. jiang, y. zhang, s.v. dubonos, i.v.grigorieva, a.a. firsov.electric field effect in atomically thin carbon films [j].science, 2004,306(5969):666-669.

[2] 匡达，胡文彬．石墨烯复合材料的研究进展[j]．无机材料学报，2013，28 （3）：235-246．

[3] 李晓．狄拉克材料的计算和理论研究[d]．北京：北京大学．2014．