题目：低维氮化铝纳米带的第一性原理研究

近年来在科学和技术研究方面，Ⅲ-Ⅴ族宽禁带半导体材料及其器件的应用掀起了一个高潮。Ⅲ族氮化物(氮化硼、氮化镓、氮化铝、氮化铟)具有优良的光电学特性、耐高温、良好的材料机械性质和不易受腐蚀等性质。这些器件在大规模光电集成电路、全色高清晰度图像显示、彩色激光打印、光存储、医疗设备、水下及其外空间通信、紫外探测等工农业生产领域和科技国防领域具有非常迷人的前景和重要的意义。氮化铝(AlN)作为Ⅲ族氮化物材料之一，是带隙最宽的半导体(带隙为6.2eV)，具有高硬度、高的热稳定性和良好的介电性能[1,2]。理论研究表明，AlN纳米带(AlNNR)都是半导体与边缘的形状无关[3,4]。AlNNR的电子特性在其外加电场、空位缺陷等[5,6] 作用下产生了变化。本文在广义梯度近似(GGA)下，基于密度泛函理论(DFT)框架投影缀加波赝势方法(PAW)的第一性原理计算研究了悬挂键对锯齿型边缘AlNNR(ZAlNNR)和扶手椅型边缘AlNNR(AAlNNR)电子结构和磁性的影响;由六边形网格AlN窄带(h-AlN)和Si单层组合成的异质结构层AlNSix(x=2,4,6)的结构和电子特性以及一条硅链掺杂锯齿型边缘AlN纳米带(ZAlNNRs)的几何结构和电子特性。所得到的主要结论如下：
1. 尽管边缘用H原子饱和的AlN纳米带(AlNNR)是非磁性半导体，悬挂键使得N原子边缘不悬挂H的ZAlNNR成为磁性半金属，Al原子边缘不悬挂H以及N原子和Al原子边缘都不悬挂H的ZAlNNR成为磁性金属，N原子边缘或者Al原子边缘不悬挂H的AAlNNR成为磁性半导体。由于在同一边缘的二聚物N原子和Al原子悬挂键之间较强的结合，N原子和Al原子边缘都不悬挂H的AAlNNR仍然是非磁性半导体。ZAlNNR的N原子边缘不悬挂H或者Al原子边缘不悬挂H的磁矩大约是AAlNNR的N原子边缘不悬挂H或者Al原子边缘不悬挂H磁矩的一半，由于在每个周期单元里ZAlNNR悬挂键的数目是AAlNNR的一半。自旋向上和自旋向下之间较大的差分电荷密度聚集在边缘N原子上并且沿着N原子子格由边缘向内部衰减，边缘不悬挂H的Al原子拥有较少的差分电荷密度并且不存在沿着Al原子子格边缘向内部衰减的现象，说明了ZAlNNR和AAlNNR的N原子边缘不悬挂H的磁矩大于Al边缘不悬挂H时。悬挂键引起了N原子边缘不悬挂H的ZAlNNR和AAlNNR在费米能级处完全地自旋极化(100%)，预示着此纳米带结构能被用来建造高效率的自旋极化传输装置。
2. 我们经过计算系统研究了AlN单层，Si单层，边缘用H原子饱和的AlN和Si纳米带其为六边形结构并且分别由2、4、6条之字形链横过纳米带宽度，结合成的六边形AlNSix(x=2,4,6)异质层其包含有之字形边界的六边形网格AlN窄带(h-AlN)和Si单层的结构和电子特性。AlN单层是带隙为2.56eV的间接带隙半导体，而Si单层能带中由于其最低未占据导带(LUCB)和最高占据价带(HOVB)相交于距离Γ到Z点2/3处的k点而具有金属特性。计算结果显示，6-ZAlNNR作为一典型例子，其LUCB和HOVB在Z区域边界上形成边缘态，因其相应的电荷分别分布在边缘的Al和N原子上。在具有金属性的6-ZSiNR内的Z区域边界附近的费米能级处形成了一条平直的边缘态，其由于相应的电荷聚集在边缘的Si原子上。H-AlN窄带和Si单层之间边缘态的杂化，导致了在异质结构AlNSix之字形边界处边界态的出现，其电荷分布于具有成键和反键的电子特性边界处的两个原子上。
3. 采用基于密度泛函理论下投影缀加波第一性原理计算，系统地研究了单一硅链掺杂锯齿型边缘AlN纳米带(ZAlNNRs)的几何结构和电子特性。 Si-Al, Si-N, Si-H和Al-H之间为离子键，而N-H为典型的共价键。原因是由于N原子紧束缚电子的轨道小于Si和Al。掺杂了一条硅链的ZAlNNR呈现金属性，此性质与硅链在纳米带中的掺杂位置无关并且来自于Si和Al原子特别是它们的p电子轨道的贡献。硅链替换ZAlNNR的一条边界时，其能带中最高的价带和最低的导带之间的带隙在Z点最小。最高的价带和最低的导带主要来源于Si链和最近邻N原子的贡献。