IV族元素准二维纳米结构性质的应变调制及器件应用的理论研究

Materials composed by group IV elements, especially silicon, are the most fundamental and important materials in today's electrical industry. The technology develops rapidly, and the size of the electrical devices goes towards nanometer scale, which also requires corresponding novel nano materials. Graphene, which is a quasi-two-dimensional nano material, has been synthesized recently and shows excellent electronic properties. Silicene, the silicon analogue of graphene, has also been fabricated lately in the laboratory.Thus modulation of the properties of these nano materials composed by group IV elements is urgent and important. It is well know that strain modulation is an important approach to tuning the properties. Our works aim at the strain modulation of the electronic properties of the quasi-two-dimensional nano materials of group IV elements such as graphene and silicene and possible device applications by using the first-principles methods.Our research will help understanding of the electronic properties of these novel nano materials and promoting the device applications in nanoelectronics in the future.

IV族元素，特别是硅，所构成的材料是当今电子工业的重要基础材料。随着技术水平的提高，电子器件的尺寸开始走向纳米量级，这也要求相应的新型纳米材料。近年合成的由碳原子组成的二维石墨烯纳米材料已经展现出了很多优异的电学性质，而相类似的硅烯材料也在实验室实现。对这些准二维的纳米材料性质进行调制以利于器件应用便成了一个重要和紧迫的课题，而应变调制是一种重要的调制手段。本课题拟以石墨烯，硅烯，锗烯及其相关衍生物为研究对象，利用第一性原理计算的手段，研究应变调制对其电子性质的影响，并讨论可能的器件应用。本研究将有助于增加对IV族元素构成的准二维纳米材料电子性质的认识，并对未来的纳电子器件应用具有一定的指导意义。

基于硅等IV族元素的体材料是传统半导体工业中重要的基础材料。随着电子器件尺寸到达纳米量级，对新型IV族纳米材料的研究成为一个基础和重要的课题。应变调制一直是调节硅等IV族体材料性质一个重要手段，其对IV族准二维纳米材料的性质也有着重要影响。本项目致力于理论研究应变对IV族元素准二维纳米材料及其衍生物的电学、力学及磁学性质的影响。我们系统地研究了单轴应变对二维硅烯材料力学及电子性质的调制，发现了硅烯在单轴应变下有着与石墨烯截然不同的特性，并纠正了之前的报道中一些错误的结论。我们还研究了IV族二维材料衍生物在应变下的力学性质。我们在凸角的船型构型半氟化和半氢化石墨烯中发现了正负号可调的泊松比，这一现象无法用传统的刚性力学模型来解释。我们通过分析提出了负泊松比的一种新机制。进一步我们还在凸角的船型构型半氟化和半氢化硅烯中得到了小应变下的负泊松比。这些发现大大拓展了拉胀材料的范围及其设计机制。我们还发现应变对IV族二维材料衍生物的磁性也有着很强的调制作用。项目的研究结果揭示了一些新的物理现象和机制，并推动了应变调制在基于IV族元素的纳电子器件和自旋电子器件中的应用。