硅纳米结构及其性质的研究

硅相关的纳米结构由于制造上的优势，是当今纳米科学研究的热点。对于sp2成键类型的硅纳米结构，由于其可能表现出丰富的电子性质，对其开展研究具有突出的意义。本项目的研究目标是通过对于sp2成键特性的硅纳米结构及其性质的计算，预言新型的硅纳米结构及其性质。我们将发展针对硅与衬底结合、硅与其它纳米结构结合的稳定的复合纳米结构的计算方法，用于得到不同结构衬底下稳定的复合硅纳米结构。预言稳定的sp2成键的硅纳米结构及其随衬底、尺寸和手征性的变化规律。揭示硅纳米结构的不同起伏格点位置和掺杂原子的成键规律，以及吸附和掺杂结构在稳定硅纳米结构中的作用，揭示不同尺寸受限情况下对于硅纳米体系结构及其稳定性的影响，及可能产生的新的纳米结构类型。研究外场和应变对于sp2成键硅纳米结构的调制，预测硅纳米结构作为磁性半导体、低维光电材料的可能性。为发展新型纳米材料和器件提供物理模型和理论预言。

硅相关的纳米结构由于制造上的优势，是当今纳米科学研究的热点。对于sp2成键类型的硅纳米结构，由于其可能表现出丰富的电子性质，对其开展研究能为发展新型纳米材料和器件提供理论预言。在本项目的研究中，我们对硅稀纳米结构开展了多方面的研究。我们用第一性原理方法研究了金属原子在硅烯表面吸附的结构与电子性质。我们发现吸附在硅烯上的金属原子中，Li, Na, K, Ca, Co, Ni, Pd, 与Pt具有比其体结构结合能还要高的吸附能。金属原子在硅烯表面非常强的吸附以及吸附体系所表现出的丰富电子性质表明可能在实验上实现金属原子对硅烯的功能化。我们研究了应力调制的扶手椅型硅纳米带电子性质。我们发现，带隙在很小的拉伸应力下闭合。在拉伸的同时，最高价带和最低导带可保持为狄拉克型色散关系。这表明应力可以用来调控硅纳米带电子性质，特别是可以调控能隙,从而在场效应纳米器件中有潜在应用。我们研究了双层硅烯在各向同性应力下的结构。我们发现，应力可以诱导一系列无势垒的结构相变，相变发生后，双层硅烯变为平面结构。伴随着结构相变，双层硅烯也会发生电子性质的相变，由半导体变成导体。通过形成能的计算，我们发现树形状的硅纳米条带比锯齿形硅纳米条带更加稳定。由于边界效应，树形状硅纳米条带是自旋半导体。我们提出了通过外场（电场或者张力）调控来实现零带隙的自旋半导体性质，为硅纳米材料在自旋电子学领域中的应用提供依据。我们发现相对于过渡金属Cr和Fe掺杂的硅稀体系会呈现特殊的磁电效应，除了在一定的电场区域内出现较好的线性磁电效应，在电场下会出现一个磁性的跳变；并强烈的依赖于电场的方向，我们称之为磁电二极管。我们发现在有限温度下，由于硅烯存在热起伏，打开同样的带隙需要的电场强度要低于零温下的晶格。说明硅烯场效应器件是有利于在温度场下应用的。以上研究表明硅烯纳米结构具有性能丰富并易于调控的特点，有望应用于新型的纳米量子器件中。