论文摘要：石墨纳米带和碳化硅纳米带的第一性原理研究

自2001年王中林教授等人成功的合成半导体氧化物纳米带之后，由于其电子学、光学、催化作用以及压电现象，特别是在电子器件方面的潜在应用，纳米带引起人们的极大关注。在过去的几年，许多其它材料的金属、金属氧化物和非金属纳米带被通过各种方法合成。与此同时，许多新的、强大的实验设备如扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscopy, STM)、原子力显微镜(Atomic Force Microscopy, AFM)及高分辨电子显微镜(High Resolution Transmission Electron Microscopy, HRTEM)被用来研究纳米带的特性。另外，随着量子力学理论和计算技术的发展以及计算机性能的飞速提高，运用计算机模拟对低维纳米材料结构和特性的研究广泛地开展起来。
石墨纳米带和碳化硅纳米带具有新颖的物理、化学、生物特性以及在纳米电子器件方面的潜在应用，已经成为当今低维纳米材料研究领域中的热点。运用计算机模拟对其电子特性的研究不仅可以深入理解低维纳米材料的基本现象，更重要的是它可以作为功能模块来构筑纳米电子器件。本论文在广义梯度近似(Generalized Gradient Approximation, GGA)下，利用基于密度泛函理论(Density functional theory, DFT)平面波赝势方法(Projector Augmented Wave, PAW)的第一性原理研究了锯齿型边缘和扶手椅型边缘石墨纳米带与碳化硅纳米带的电子特性。具体工作是，锯齿型边缘(Nz=2-24)和扶手椅型边缘(Na=3-41)石墨纳米带的能带结构、态密度和电荷密度在第3章给出。我们发现与氢原子连结的边缘碳原子上未成对的自由电子导致具有锯齿型边缘石墨纳米带出现边缘效应，即在费米能级处出现平带，从而使具有锯齿型边缘石墨纳米带具有金属性和铁磁性。但是，对具有扶手椅型边缘石墨纳米带而言，大多数自由电子结合在一起并重叠在边缘二聚物的碳-碳键上，因此边缘二聚物的碳-碳键强度比石墨纳米带内部的碳-碳键强度大。由于具有扶手椅型边缘石墨纳米带具有较少的自由电子，所以具有扶手椅型边缘石墨纳米带没有边缘效应和相应的出现在费米能级的平带，因此扶手椅型边缘石墨纳米带具有半导体性和非磁性。对一确定宽度的锯齿形石墨纳米带，自由电子对碳原子的影响作用由边缘向内部依次递减。所以碳原子对锯齿型边缘石墨纳米带态密度费米能级处的尖峰和自旋向上与自旋向下电荷密度差及相应的磁性的贡献由边缘向内部依次减少。
锯齿型边缘(Nz=2-20)和扶手椅型边缘(Na=3-20)碳化硅纳米带的能带结构、态密度和电荷密度在第4章给出。锯齿型边缘碳化硅纳米带具有金属性和铁磁性，较窄的有直接小带隙的带除外(Nz=2-4)。锯齿型边缘碳化硅纳米带的投影态密度表明其费米能级处出现尖峰主要来源于与氢原子连接的边缘碳原子和边缘硅原子。与扶手椅型边缘石墨纳米带相似，扶手椅型边缘碳化硅纳米带具有半导体性和非磁性且其带隙随纳米带宽度的增加而震荡减小，最后趋于一个常数—2.359eV。电荷密度图分析显示价电子几乎都集中在碳原子上，说明电子是从硅原子转移到碳原子上，因此碳化硅纳米带中碳-硅键具有离子键特性。悬挂键使碳化硅纳米带能带结构中出现额外的带，这能改变碳化硅纳米带的电子特性。

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