题目：硅纳米带及氟饱和氮化铝纳米带的第一性原理研究

2001年，王中林教授等人成功地合成半导体氧化物纳米带。之后，许多其它材料的纳米带被通过各种方法合成，如graphene、BN，SiC，Si纳米带等。由于其电子学、光学、催化作用以及压电现象，特别是在电子器件方面的潜在应用，纳米带引起人们的极大关注。其中，对石墨纳米带的研究最为深入、广泛。与此同时，许多新的、功能强大的实验设备被用来研究纳米带的特性，常用的有原子力显微镜、扫描隧道显微镜以及高分辨电子显微镜等。另外，随着计算机性能的飞速提高以及计算技术和量子力学理论的发展，广泛开展起来了通过计算机模拟来对低维纳米材料结构和特性的研究。
然而，现代电子产业仍然以硅基材料为主，石墨纳米带不易于与硅基材料相兼容。由于难以找到芯片制造厂家用石墨代替硅材料，因此，以石墨为基材的微处理器在短时间内不会被厂家大量生产。由此，大量的理论研究开始集中在，寻找类似于石墨的硅材料---“silicene”。虽然硅与碳同属于第四族元素，但它们的物理、化学、生物特性却不尽相同，硅材料在电子领域一直有很广泛的应用，目前硅纳米带已经成为继石墨纳米带之后的又一个热门研究领域。
本论文采用第一性原理计算方法，研究了具有锯齿型和扶手椅型边缘硅纳米带的结构、电子特性及悬挂键、空位、单碳链和双碳链取代对硅纳米带的电子特性、磁特性的影响。另外，利用第一性原理也研究了氟原子(F)饱和氮化铝(AlN)纳米带的电磁特性。具体工作如下：
第3章，研究用氢原子饱和的锯齿型边缘和扶手椅型边缘硅纳米带的能带结构、态密度和电荷密度。结果表明：硅-氢键的键长总是1.50Å，但是边缘处的硅-硅键的键长要比纳米带里面的硅-硅键的键长要短，这表明在纳米带结构弛豫时，纳米带在其边界处有收缩现象；对较宽的锯齿型硅纳米带，在费米能级处有边缘态出现。但由于扶手椅型硅纳米带边缘处存在二聚物硅-硅键的原因，所有宽度的扶手椅型硅纳米带均没有边缘态出现；扶手椅型硅纳米带为直接带隙半导体，并且随着纳米带带宽的增加，带隙呈现周期性振荡的特征，且对于给定的纳米带带宽n, 有?3n>?3n+1>?3n+2；对其电荷密度分布图的分析表明，由于氢原子具有比较大的电负性，硅-氢键表现为离子键，然而，所有的硅-硅键都是典型的共价键特征。硅-硅键的作用强弱不仅与硅-硅键的方向有关，也与它所在的位置有关，即硅-硅键与硅纳米带的轴向偏离越远，离纳米带边缘越近，硅-硅键的作用力越强。另外，硅纳米带的收缩主要表现在宽度方向上，尤其是边界的收缩较为明显。
在三种自旋构型下，悬挂键对氢原子饱和的锯齿型边缘和扶手椅型边缘硅纳米带的能带结构、态密度和电荷密度及电磁性质的影响在第4章给出。研究结果表明：一边或者两边带有悬挂键的硅纳米带，由于悬挂键的影响，硅纳米带由铁磁性转变为反铁磁性。然而，对于非磁性扶手椅型硅纳米带，当一边带有悬挂键时，表现出铁磁性；当两边有悬挂键时表现出反铁磁性。
单碳链及双碳链取代时，硅纳米带的电子特性及其对锯齿型硅纳米带电磁性质的影响在第5章给出。研究结果表明：当纳米带用单碳链取代时，有两条能带穿过费米能级的X点，且这两条能带之间的间隙随着碳链由硅纳米带边缘向中间移动而逐渐减小。两条能带中能量较高的那条，主要来源于靠近碳链的边界硅原子，能量较低的那条主要来源于远离碳链的边界硅原子。由于在碳链附近的硅纳米带的横向收缩，无论是单碳链还是位于两边缘处的双碳链常常接近于直链。由于H原子、C原子及Si原子之间不同的电负性和束缚力，不论是单碳链取代的硅纳米带，还是位于两边缘处的双碳链取代的硅纳米带，C-Si键表现出离子键特征，而C-H表现出共价键的特征。无论是单碳链取代的硅纳米带，或者是双碳链取代的硅纳米带都表现出金属特性，且与单碳链在纳米带上的位置或双碳链取代时硅纳米带的带宽没有关系。
无论是完好硅纳米带，还是单碳链取代的硅纳米带，铁磁态要比反铁磁态稳定；而由双碳链取代的硅纳米带，表现出反铁磁性且缺陷带为两条穿过费米能级的简并的能带。单碳链或者双碳链取代的锯齿型硅纳米带，要比完好的硅纳米带稳定。而且，硅纳米带的电磁性质，可以被不同位置的单碳链细致地调节。以上结果，可以用不同原子的电负性差异，和由于原子半径不同而对电子不同的束缚力来很好的解释。
在本论文第6章，我们研究了单原子空位和双原子空位，对扶手椅型硅纳米带电磁性质的影响。我们发现，无论是单空位或者是平行走向的双空位缺陷，都可以使扶手椅型纳米带，由直接带隙半导体特性转变为间接带隙半导体性质，但斜向双空位却使扶手椅型纳米带具有金属性质。无论是单空位或是平行走向和斜向的双空位，都不能改变扶手椅型纳米带的非磁性性质。而且，优化的空位结构和电子特性，与空位相对于纳米带的边缘的位置没有关系。
第7章，研究了F饱和的AlN纳米带的的电子特性，并且得到的结果与H饱和的纳米带的电磁性质相对比。结果表明，无论是锯齿型AlN纳米带，还是扶手椅型AlN纳米带在F饱和时都显示出半导体特性，且是非磁性的；锯齿型AlN纳米带为间接带隙半导体，而扶手椅型AlN纳米带为直接带隙半导体且带隙随纳米带的带宽增加而减小；当带宽相同时，与H饱和的AlN纳米带相比，F饱和的AlN纳米带的带隙更小。通过总态密度(DOS)和局域态密度(LDOS)分析可知，F饱和的AlN纳米带的价带主要来自于N原子，而导带边主要来自于Al原子。电荷分布密度图显示出，由于F原子较强的电负性和较小的共价半径使Al-F 键为离子键，而N-F键为共价键。
第8章给出全文的总结。