摘要
二维材料自被首次发现以来就引发了众多科研工作者们的关注。受到量子限域效应的影响，二维材料可能会表现出与三维材料截然不同的性质，在电子器件、电化学、生物医疗等领域显示出巨大的应用潜力。然而本征的二维材料也可能会存在不足，如石墨烯虽然具有超高的载流子迁移率，但由于其零带隙的半金属性质使其难以在电子逻辑器件中应用;实验上已经合成的半导体材料——六角蜂窝状砷烯的迁移率较低等等。为了拓展二维材料的应用范围，往往需要对其性质进行调控。此外二维材料在实际应用中往往需要依托于合适的基底，其结构与物性难以避免受到基底的影响。因此，研究二维材料的物性调控方法具有重大意义。本论文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法，设计了几种对二维六角蜂窝状原子晶体材料的物性调控方法，研究了这些调控方法对其性质的影响，同时构建了二维材料在基底上的界面构型数据库。主要内容包括: 一、研究了三分之一氢化对第五主族元素单层烯的调制作用。通过声子谱的计算发现三分之一氢化的砷烯、锑烯和铋烯在自由状态下是动力学稳定的。与氢化前相比，三分之一氢化后的砷烯和锑烯的带隙从1.473eV和0.991eV增加到了1.619eV和1.268eV，而三分之一氢化铋烯的带隙则从0.480eV减小至0.089eV。三分之一氢化使得具有六角蜂窝状结构的第五主族元素单层烯具有各向异性的结构，同时其电子结构和光吸收性质也呈现出明显的各向异性。这意味其在偏振光学器件中具有良好的应用前景。此外，三分之一氢化后砷烯和锑烯的载流子迁移率均提升了2-3个数量级，而铋烯沿y方向的电子和空穴迁移率更是提升至了1.1×105cm2V-1s-1和1.7×105cm2V-1s-1。同时三分之一氢化铋烯的带隙会随着压缩应变的大小发生明显的变化。随着不断施加压缩应变，三分之一铋烯会经历半导体（ε＞-5％）、金属（ε=-5％）、半导体（ε＜-5％）的转变过程，并且在转变前后还发生了拓扑绝缘体-普通绝缘体的转变过程。这意味着三分之一氢化铋烯在拓扑器件中也具有潜在的应用前景。 二、基于经典力场和第一性原理计算方法研究了折叠石墨烯的结构与性质。理想的石墨烯折叠结构是半无限的结构，由纯平双层石墨烯部分和折叠边界组成。本论文通过搭建足够大的有限的晶胞模拟了石墨烯折叠结构，并使用COMPASS经典力场进行结构优化，发现了折叠结构中存在类似于非封闭碳纳米管结构的边界。通过参考碳纳米管定义了折叠结构的手性指数。进一步使用基于密度泛函理论的第一性原理计算发现，折叠结构在类管状边界具有一维碳纳米管中所存在的范霍夫奇点。在该范霍夫奇点对应的能量范围内，折叠结构的纯平双层区域和折叠边界区域分别呈现出与双层石墨烯和碳纳米管相似的电荷分布特征，证实了石墨烯折叠边界具有相似于碳纳米管的原子结构和准一维的电子性质。这些结果为实验上合成和研究其它二维材料的折叠结构及其物性提供了新的思路。 三、设计了一种基于密度泛函理论计算的高通量计算方法预测二维材料在固体表面上的界面构型。在考虑了二维材料与基底的晶格形状匹配问题后定义了界面结构的指数描述符号。通过分析形成界面的两种材料的对称性，并限定两者之间的晶格失配率，筛选出所有可行的非冗余界面结构，同时大大减少了不必要的计算。使用界面结合能作为判据，筛选二维材料在固体表面上的稳定构型。为了验证该方法的有效性，针对几种实验上已有报道的界面结构进行了验证，即石墨烯在Ru(0001)表面、石墨烯在Ir(111)表面、锑烯在二碲化钯表面和砷烯在Ag(111)表面。通过与实验结果对比，发现该方法能很好地预测二维材料在基底上的构型，包括转角、应变和周期等。同时基于该方法预测了几种尚未被报道过的构型，如石墨烯在Ru(0001)上的√43@6构型，褶皱型砷烯在Ag(111)表面上的诸多构型等。该方法还可扩展用于二维材料与二维材料之间形成的异质结构的预测。该结果为预测固体表面上稳定的二维材料提供了方便的工具，同时为新型功能化二维材料的设计提供了帮助。
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