SnO2低维纳米结构的设计、合成与光电性质研究

低维纳米结构SnO2是新一代光电子器件的功能组元，在太阳能电池、场发射器件等方面具有广阔的应用前景。本项目针对低维纳米结构SnO2，拟采用第一性原理分子动力学和实验两方面进行研究：（1）研究SnO2纳米片/带/管的光电性能，探讨缺陷、界面、尺寸及掺杂等因素对其电子结构的影响，研究微结构变化与光电性能的关系，揭示低维纳米结构SnO2光电性能的物理规律。（2）研究纳米片/带/管在armchair 和 zigzag 构型下SnO2的光电性能，研究电子性质与纳米带自身的手性、长度及分支高度和宽度的关联性质；比较表面裸露和经H、N、F等表面修饰后的光电性能，探讨修饰、分子组装等因素对其性能的影响，揭示低维结构构型及修饰与光电性能之间的微观联系。（3）研究制备性能稳定的低维纳米结构SnO2的关键技术，测试结构的光电性能，探索纳米光电子器件单元的可行性。本项目的研究对新型纳米电子器件的应用具有重要意义。

本项目采用第一性原理和平均场理论相结合的方法，研究了低维结构SnO2及其相关材料的电子结构及光电性能，取得一批重要成果：.1.研究了非金属掺杂原子（N）和3d 掺杂原子（Fe、Cr、Mn）单掺、共掺情况下对 SnO2 材料电子结构和光电性能的影响，并在加U及空位的调控下，发现掺杂调控其能带结构，SnO2材料的光学性质（吸收系数、折射率等）发生改变。.2.研究了Fe、Cr、Co、Mn单掺及共掺SnO2超晶格材料的电子结构和光电磁性能，考虑氧空位和加U的作用，Cr单掺SnO2超晶格时的O原子的p电子与Cr原子的d电子间的p-d耦合作用使Cr原子的磁矩发生了改变。Fe、Mn和Co、Mn共掺时过渡元素的3d电子和O的2p电子产生了强烈的杂化作用，造成SnO2超晶格性能的改变。.3.研究了SnO2纳米面的电子结构和光电磁性能，Co掺杂SnO2纳米面由于Co原子的3d态不对称，形成了半金属体系，而Fe掺杂SnO2NSs变成了间接带隙半导体，Cr、Mn和Ni原子掺杂则为直接带隙半导体。Ag和O空位后，SnO2纳米面材料依然是直接带隙半导体。其掺杂都使吸收边发生红移。.4.研究了SnO2纳米带的电子结构和能带调控，SnO2纳米带是间接带隙半导体，两种构型的纳米带的带隙均随着其宽度的变化而发生相应的变化，最终分别趋近于一个稳定的值。当引入Ag之后，不论是armchair或zigzag纳米带，其光学吸收边均明显的向低能方向移动..5.研究了石墨烯/二氧化锡 纳米异质结生长及能带调控，通过层间结合能计算，得到所建立的四种构型的层间结合能均属于范德华力型异质结，四种构型均打开了10.0 meV左右的带隙，而双层石墨烯在二氧化锡衬底上生长其能带打开了近100meV左右的带隙，为将来设计高效的场效应晶体管的推广应用奠定了坚实的理论基础。.6.在纳米结构SnO2研究结果基础上，我们也研究了硅烯，MoS2、锡烯、锗硅异质结、硅烯/硅烷异质、砷烯、ZnO纳米管等纳米结构的电子结构及调控机理。在这些纳米结构中，多种有意义的现象，如量子自旋霍尔效应等均被设计出来。这些性质有利于材料的开发和应用。