摘 要

本文借助材料科学模拟仿真软件Material Studio分别对本征态下的锡烯纳米带、单原子缺陷下的锡烯纳米带和双原子缺陷的锡烯纳米带进行了几何结构模型的创建，并用软件自带的DMol3计算分析模块对三种状态下的能带结构和态密度进行了基于第一性原理计算方法的分析和计算，利用所学知识对计算所得的结果进行专业化对比分析，得到的结果对于分析指导缺陷对锡烯纳米带材料导电性能的调控上具有重要意义。

本文主要研究了本征态、单原子缺陷和双原子缺陷下锡烯纳米带的能带结构和态密度，并以此推导其可能具有的电子结构特征。

本文特色：锡烯纳米材料是目前所发现的二维材料家族一个比较特殊的成员，它特殊的塔扣状双原子层蜂窝状结构赋予它不同于其他二维材料的特征。利用最新版的材料模拟软件Material Studio对不同缺陷下的锡烯纳米带进行第一性原理的能带和态密度计算是本文的一大特色。

关键词：锡烯纳米带；第一性原理；空位缺陷；电子结构

Abstract

In this paper, the geometrical model of stanene nanobelt under the present state of evidence, monoatomic defects and diatomic defects was established by the material science simulation software Material Studio, and the DMol3 calculation and analysis module of the software was used. The energy structure and density of states under three states were analyzed and calculated based on the first-principles calculation method. The results obtained were analyzed and compared professionally and the results obtained were analyzed to guide the defects on the the control of the conductive properties of stanene is of great significance.

In this paper, the band structures and density of states of the stanene nanobelt under the present state of evidence, monoatomic defects and diatomic defects are studied, and the possible electronic structure characteristics are deduced.

The characteristics of this article: stanene nanobelt are a special member of the two-dimensional material family discovered so far. Its special tower-shaped double atomic layer honeycomb structure gives it different characteristics from other two-dimensional materials. Using the latest material simulation software, Material Studio, to calculate the first-principles band and density of state of stanene under different defects is a major feature of this paper.

Key words: stanene nanobelt; the first-principles; void defect; electronical structure

目 录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1石墨烯的发现及其发展 1

1.2 锡烯纳米带简介及其制备 2

1.3 研究目的 4

第2章 研究方法与原理 5

2.1 Material Studio软件简介 5

2.2 第一性原理计算 6

2.2.1 密度泛函理论 6

2.2.2 第一性原理的软件表示 9

第3章 锡烯纳米带模型的构建和结果分析 11

3.1 锡烯纳米带模型及其计算结果 11

3.1.2 能带结构和态密度 12

3.2单原子缺陷锡烯纳米带模型及其计算结果 13

3.2.1 几何结构 13

3.2.2 能带结构分析 14

3.3双原子缺陷锡烯纳米带模型及其计算结果 15

3.3.1 邻位双原子缺陷 16

3.3.2 间位双原子缺陷 18

3.3.3 对位双原子缺陷 19

第4章 总结与展望 20

参考文献 22

致谢 23

第1章 绪论

1.1石墨烯的发现及其发展

石墨烯（Graphene）是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型蜂巢晶格的二维碳纳米材料。2004年，英国曼彻斯特大学的两位科学家安德烈•盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁•诺沃消洛夫（Konstantin Novoselov）他们在高定向热解方法得到的石墨片基础上通过用胶带粘的方法揭下了一层比较薄的石墨片，继续对这个石墨片进行这种操作发现最后得到了只有一层的组织结构，这个单层的碳原子薄片就是石墨烯。

室温下的石墨烯载流子迁移率约为15000cm2/（V•s），是半导体材料单晶硅的10倍之高，比锑化铟（InSb）的两倍还要多，而锑化铟（InSb）是目前已知的电子迁移率最高的材料。如果外界条件合适，石墨烯的载流子迁移率最高可达250000cm2/（V•s）之高。和其他很多材料不同的是，石墨烯的电子迁移率对温度并不是那么敏感，在50~500K范围之内，单层石墨烯的电子迁移率维持在15000cm2/（V•s），变化幅度很小。

除此之外，石墨烯中电子载载流子和空穴载流子的半整数量子霍尔效应可以通过电场作用改变化学势而被观察到，科学家在室温条件下就观察到了石墨烯的这种量子霍尔效应。石墨烯中的载流子所遵循的量子隧道效应和特别，载流子在碰到杂质时不会产生散射，这使得石墨烯具有了局域超强导电性以及很高的载流子迁移率。石墨烯中的电子和以及能量波动所产生的光子静止质量都为零，他们的速度是一个独立的常数，和动能无关^[1]。

由于石墨烯的导带和价带在狄拉克点相遇，所以其为一种零距离的半导体。在狄拉克点的六个位置动量空间的边缘布里渊区分为两组等效的三份。相比之下，传统半导体的主要点通常为Γ，动量为零^[2-3]。

石墨烯的这零带隙特性以及其作为纳米材料所具备的体积小的特点，韧性好的这些特点使其在新型能源（石墨烯电池^[4]）、超强度材料和精密用品上发挥了不可代替的作用。

然而，这种零带隙的电子特征也对石墨烯在电子原件中的使用产生了限制作用。于是类石墨烯材料的研究成为了科学研究的一大热点。其中包括过渡金属二硫化合物，六方氮化硼和BNC，过渡金属氧化物，氢氧化物以及以这些材料为基础的合成材料的研究^[5-6]。这些只有几个原子的纳米材料也显示出了类似石墨烯的性质，且其具有一定的带隙，在电子工业具一定的发展前景。同时，同为四族元素的硅烯，锗烯和锡烯纳米带，以及其他族元素，如磷烯的制备也成为了现实，硅烯和锗烯的基础元素虽然和石墨烯处于同一族，但由于各自不同的微观结构具有不同的性质，其半导体的特性也被认为是硅材料遭遇瓶颈后的新出路而得到了国内外广泛的研究^[7-10]。不同的是不同于石墨烯在自然界中存在其结合体—石墨，可以直接从其中剥离出来，而硅烯等材料则不同，自然界中并不存在单纯的结合体，法国埃克斯-马克大学的Guy Le Lay在其多年的研究成果上研究出了类石墨烯材料的反向制备方法—薄片原子在金属表面生长来成功制备出来。通过参杂方法它们所具有的一些特殊性质也被研究出来，其在不同温度所具有的高载流子迁移率和高热率在电子工业和精密仪器的制备上有望大显身手。

除了探索其他元素的二维结构外，石墨烯纳米带的研究也是一个改变石墨烯导电性质的重要且实用的方法，不同于石墨烯，石墨烯纳米带是准一维结构，由于量子局域效应，从一维到二维的转变使得石墨烯的导电性发生了显著的变化。目前，石墨烯纳米带的研究和制备已经有所成效，由此也衍生出了其他二维材料一维化的方法及其性质的研究^[11]。

在新一代二维材料的家族中，锡烯纳米带所表现出的一些性能更是显得弥足珍贵。最近，有科研团队利用分子束外延技术在上成功制备出了锡烯纳米带材料，且其电子特性通过电子扫描显微镜（STM）和角分辨光发射仪（ARPES）以及第一性原理得到了证实^[12-13]，意味着新的具有更加特殊物理及化学性质的二维类石墨烯材料的诞生。鉴于降维给石墨烯所带来的电子结构的显著影响，锡烯纳米带的研究也立刻被人们所关注。

1.2 锡烯简介及其制备