表面应变的半导体纳米材料-第一性原理模拟研究

When built in devices, surface of a semiconducting nanomaterial is usually strained due to interface with other materials of different lattice constant. This structural change on surface could take signification modification on properties of nanomaterials. However, experiments are with great challenges to explore the local structure of strained surface and the concomitant influence. Meanwhile, there are very few theoretical simulations done for strained surface due to the difficulties of modeling the local structural strain. In this project, we plan to use "cyclic replacement" method, which developed by ourselves, to introduce surface tensile or compressive strain: we substitute target surface atoms with different impurities to produce structural modification, and afterwards the surface strain induced by the impurities are maintained with some special constrains after the impurities are removed and replaced by the original atoms. With first principle approaches, the structural detail and stability of the strained surface will be studied. Furthermore, the influence of the surface strain on work function, band structures, and electronic, optical and magnetic properties of the semiconducting nanomaterials will be explored. This project is of significance to understand the structural detail of strained surface, to reveal the effect of surface strain on the performance and efficiency of a device, to looking for interfaces which could stably and efficiently enhance the device performance, and to enhance the cooperation between theoretical and experimental studies.

在器件中，纳米材料的表面与其他材料接触，因晶格的不匹配，表面应变具有普遍性。这种结构上的细微改变，可能对纳米材料的各项性质起重要影响。实验本身确定界面的局部应变结构及其带来的性质影响存在着巨大挑战，而已有的理论模拟，因为建模的困难，几乎没有关于纳米材料表面应变的研究。本项目通过自主开发的"循环替代法"，引入表面杂质导致应变，再通过一定的束缚手段保留该形变，并用原材料原子替代回杂质原子，得到包含拉伸、压缩应变表面的纳米材料模型，以此研究半导体纳米材料表面应变的结构、稳定性。同时使用第一性原理方法，研究表面应变对材料功函数、能带结构的调制作用，以及对该材料其他关键性质，如电子学、磁学、光学等性质的影响。本项目对了解材料接触表面的应变结构细节，深入揭示表面应变与器件的性能和工作效率的关系，寻找稳定且高效提升器件性能的接触界面，理论与实验的互补等具有重要意义。

在纳米材料中，因为其大的表面—体积比，表面的结构改变对材料的性质有很大的影响，又因纳米材料在器件中，其表面常与其他材料接触，由于晶格的不匹配，表面应变具有普遍性。本项目拟用一个命名为“循环替代法”的模型，在DFT的辅助下，得到表面应变的模型；然后利用DFT的模拟和分子动力学方法，深入的研究表面应变的结构及其稳定性；基于包含应变表面的模型，重点研究表面应变对材料关键性质的影响。但在研究中发现，虽然表面局部应变对材料的性质确实有较强的调制作用，但是这种局部应变的影响和传统模型中施加总体应变所导致的影响并没有本质的区别。这意味着表面局域应变的研究相对传统的晶格应变研究并没有额外的意义。在随后的研究中，我们机动的调整了研究目标，围绕着“应变”与“表面”，研究了应变对二维材料性质的影响，以及分子修饰原子力显微镜的理论模型与应用。在此项目的支持下，我们发现，具有普遍性的纳米材料表面局域应变可以用传统的整体应变的方式来研究它；对于单层与双层1T-TaS2，以及二维MnO2/石墨烯的三明治结构，不同程度的应变改变这些二维层状结构层间相互作用，对材料的性质有很大的影响，其结果有助于更深入理解材料的功能和设计；我们构建了一个分子修饰原子力显微镜的理论模型，基于这个模型，开展了对成像机理和解释实验结果的应用研究。虽然在研究中机动的调制了研究目标，但在此经费的支持下，我们加深了对表面局部应变的理解，研究了应变对二维层状结构的性质的影响，深入的理解了分子修饰原子力显微镜的成像机理和解释了实验结果的一些疑问，取得一系列成果，发表了一系列文章。