金属原子调制类石墨烯型硅锗特性的理论研究

Using first-principles method based on the density-functional theory, we will investigate the stability, optical, electronic, magnetic as well as transport properties of graphene-like Si and Ge (silicene and germanene) nanomaterials, and find the mechanism on the formation of these properties. Through considering the effects of materials size, interface, defect, temperature and pressure etc. on the structure and properties of the silicene and germanene nanomaterials, we will put forward the growth models for silicene and germanene with good stabilities and high performances. Based on these, we then study in detail the properties of silicene and germanene modified with various metal atoms (alkali metals, alkali-earth metals, transition metals and noble metals), including the cases of surface adsorption and substitution doping, and also discuss the effects of the impurity species, concentration, adsorption and substitution sites on the corresponding properties of silicene and germanene nanomaterials. Finally, by investigating the transport properties of these metal atoms decorated silicene and germanene, we will establish the structural models of nanoscale electronic devices using silicene and germanene as basis materials. This work will provide a theoretical guidance for preparing of silicene and germanene nanomaterials and functional devices with stable structures and high performances.

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，研究类石墨烯型硅锗纳米材料的稳定性、光学特性、电子结构、磁性和输运特性，弄清各种特性的产生原因；讨论材料尺寸、界面、缺陷、温度和压强等因素对类石墨烯型硅锗纳米材料结构和性能的影响，提出具有稳定结构和优越性能的类石墨烯型硅锗纳米结构生长模型。以此为基础，探索金属原子（碱金属、碱土金属、过渡金属和贵金属原子等）表面吸附和替位掺杂对类石墨烯型硅锗纳米材料的改性机理；讨论杂质种类，浓度以及吸附或替换位置等因素对类石墨烯型硅锗纳米材料稳定性、光学特性、电子结构和磁性的影响。研究金属调制类石墨烯型硅锗的输运特性，最终建立以类石墨烯型硅和锗为基材料的纳米电子器件模型。本研究将为实验室制备具有稳定结构和优越性能的类石墨烯型硅锗纳米材料及其功能器件提供理论指导。

类石墨烯型硅锗纳米材料具有和石墨烯相似的电子结构，并能很好兼容于硅基纳米电子技术。如何在有效提高该类材料载流子迁移率的同时打开其狄拉克点，是当前纳米电子器件领域研究的一个热点。本项目采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，对16种金属原子调制的类石墨烯型锗的稳定性、电子结构和磁性等进行了较为系统的研究，特别是掺杂浓度对其电子特性的影响，主要得到以下三方面有意义结果：1. 发现碱金属原子（Li、Na和K）可作为电子注入源在不降低类石墨烯型锗中载流子迁移率的同时，打开其狄拉克点形成能隙。通过调节杂质的浓度，还能有效地提高体系的载流子迁移率和调节其能隙。该部分研究结果有助于促进类石墨烯型纳米材料在高性能场效应晶体管领域的应用。2. 发现碱土金属原子（Be和Mg）的引入可较大打开类石墨烯型锗的狄拉克点形成能隙，使其转变为半导体，这为在该类材料中观测量子霍尔效应和设计二维的拓扑绝缘体提供了一些线索。3. 通过向类石墨烯型锗中引入过渡金属原子，可使其展现出各种各样的电子结构和磁特性。例如：磁性金属（Cr和Mn吸附）和磁性半金属（Sc、Ti、V、Fe和Co吸附）等，这部分结果对于围绕类石墨烯体系开展低维的自旋电子设备研究具有一定科学意义。