二维氮化物薄膜材料的电子性质

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石墨烯优异的电子性质,激励着人们去探索其它的新型二维薄膜材料。而作为碳元素的邻居,氮元素组成的二维氮化物薄膜材料表现出来的新颖的电子性质和显著的稳定性激发了广大研究者的兴趣,成为二维薄膜材料领域的一大研究热点。氮元素作为电负性非常高的元素之一,很容易与各种元素组合形成多种多样的氮化物。本论文将提出几种二维氮化物薄膜材料并研究其电子性质。本论文总共有五章。第一章我们简单地介绍了二维薄膜材料的研究现状,并介绍了二维薄膜材料中的狄拉克点、平带等独特的电子性质。第二章讲述了第一性原理的计算方法和紧束缚模型方法。第三章我们预测出两种新型的二维氮化硼结构:5-7 BN和Kagome BN,并研究了它们的稳定性和电子性质。大多数三维或者二维氮化硼结构都是宽带隙绝缘体而这两种结构则是具有金属特性的新型二维氮化硼材料,更有趣的是,计算表明5-7 BN结构在费米能级处有狄拉克锥,表明该结构是典型的狄拉克材料,其电子速度约为105 m/s。而Kagome BN在费米能级下方有两条平带,因此结构中存在重费米子。在单个空穴掺杂之后,Kagome BN顶部平带劈裂成自旋向上和自旋向下的能带,从而出现了磁性的现象。此外,还分别讨论了在某些合适的基底上(例如Pb O2(111)面和Cd O(111)面)实验制备两种结构的可能途径。第四章我们通过调整外部应力在锯齿形链组成的二维薄膜材料中实现了两类拓扑相之间的相变。相变的起源是由于锯齿形链中一些轨道的相互作用会随着结构的变形而发生变化,从而引起相应能带色散的变化。此外,我们提出了两种稳定的二维氮化磷和氮化砷结构,并发现了PN是I型Dirac半金属材料,而As N是II型Dirac半金属材料,它们分别在受到压缩应力和拉伸应力的作用时会转变为另一种Dirac半金属材料。最后,我们提出了一种在Si基底上生长二维PN的方案,并希望可以进行一些实验来验证和扩展我们的发现。第五章是我们对前面所有工作的一个总结和展望。
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