摘 要

石墨烯作为“举世瞩目”的新型材料，其在电学、光学、力学等多方面的优异性质使其未来拥有广阔的应用空间。特别是其作为二维狄拉克材料所具有的超高的载流子迁移率等性质使其拥有巨大的应用潜力。与之对应的，探索其它二维狄拉克材料能够帮助我们更加深刻的理解其物理机制和开展与之对应的应用研究。锑烯作为最新被理论预测的二维层状材料，其相应的研究还处于起步阶段，很多的物理特性有待去发现和探索，现有的研究表明其具有巨大的研究价值和较为广泛的应用前景。通常钝化会导致费米面附近打开能隙，从而可以有效调节二维材料电子结构。但最新的研究表明，单层V族二维层状化合物锑烯等在表面用卤族元素表面钝化后会由宽带隙半导体转变为狄拉克材料。本文就此通过基于密度泛函理论CASTEP软件计算了本征锑烯的能带结构及态密度，并对应计算了氟化锑烯的能带结构及态密度。对比发现，经氟钝化后的锑烯由宽带隙半导体转变为具有狄拉克锥的二维狄拉克材料，其极有潜力应用于未来纳米电子器件。这对未来寻找更多新型狄拉克材料提供了一个可靠的途径，同时对二维材料的电子结构调整提供了有效的方向。本文还计算了本征Sb烯的载流子迁移率，其值虽然低于石墨烯但高于同族的磷烯，且存在各向异性。另外本文还计算了氟化锑烯的弹性模量及形变势，为其他计算其迁移率的人提供了可参考的中间数据。

关键词： 狄拉克材料；第一性原理计算；载流子迁移率；化学修饰

Abstract

As a remarkable new material, the excellent properties of electrical, optical, mechanical make the graphene own a broad application prospects in the future. In particular, It has great application potential for its ultra-high carrier mobility as a kind of 2D dirac mmaterials. By contrast, the other explore about 2D materials can help us have a deeper understanding of its physical mechanism and carry out corresponding application research. Antimonene as the latest forecasted 2D material by the theory, the corresponding research is still in its infancy, and many of the physical characteristics need be to discover and explore, existing studies show that it has great research value and a more broad application prospects . Usually near the Fermi surface,passivation can lead to open the energy gap, which can effectively regulate the electronic structure of two-dimensional material. But recent research shows that group V single layer antimonene compound with a halogen element will be transformed by a wide band gap semiconductor to Dirac materials. In this paper, we use CASTEP software package based on density functional theory to calculate the intrinsic band structure and density of states of antimonene, and the corresponding calculation of the band structure and density of states of F-antimonene. Compare with antimonene, F-antimonene passivated by a wide band gap semiconductor into a Dirac cone 2D dirac materials, which have the potential applied to future nanoelectronic devices. This is a reliable way to find more new Dirac material provides for the future, while providing effective direction for the electronic structure adjustment of 2D material.There also calculated the carrier mobility of the intrinsic antimonene, although its value is lower than the graphene but still higher than the phosphorene in same group. In addition, there also calculated modulus of elasticity and deformation potential of F-antimony, and provides a reference intermediate data for other people to calculate the mobility.

Keywords：Dirac material；First-principles method；Carrier mobility；Chemical modifications

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 前言 1

1.2 狄拉克材料的研究进展 1

1.2.1 二维材料简述 1

1.2.2 狄拉克材料简述 2

1.2.3 二维狄拉克材料的研究现状及应用 3

1.3 本文研究思路和研究内容 3

第2章 第一性原理计算方法 5

2.1 非相对论量子力学基础 5

2.2 密度泛函理论简述 6

2.3 计算软件的选择 7

第3章 模型建立与参数测试 8

3.1 晶体结构数据查询与模型建立 8

3.2 收敛性测试 9

3.2.1 真空层测试 10

3.2.2 截断能E_cut收敛测试 11

3.2.3 对k-point取值的收敛测试 11

第4章 锑烯和氟化锑烯的电子结构 13

4.1 本征Sb烯的电子结构计算 13

4.2 钝化Sb烯的电子结构计算 14

第5章 本征Sb烯和钝化Sb烯的输运特性研究 16

5.1 本征Sb烯的输运特性研究 16

5.1.1 弹性模量的计算 16

5.1.2 载流子有效质量的计算 18

5.1.3 形变势的计算 21

5.2 氟化Sb烯的输运特性研究 23

5.2.1 氟化Sb烯的弹性模量计算 23

5.2.2 氟化Sb烯的形变势计算 24

第6章 结论 25

参考文献 26

致 谢 28

第1章 绪论

1.1 前言

硅作为现在电子工业广泛应用的基础材料，伴随着电子工业的发展，硅本身也一度成为材料研究的热门。然而随着人们对其研究的深入，发现其自身的许多物理特性限制了它在未来电子工业的应用潜力。而自从石墨烯被发现以来，二维材料凭借其独特的物理特性引起了人们极大的兴趣和广泛的关注。特别是其作为狄拉克材料展现出的高载流子迁移率等优良特性，被认为极有可能应用于下一代电子器件。因此，在近十几年的时间里，二维狄拉克材料成为材料学科的研究热门，其中对二维狄拉克材料电子结构以及输运特性的研究则是物理特性研究中的重要环节。

1.2 狄拉克材料的研究进展