论文总字数：22072字

摘 要

锡烯是由锡原子构成的新型二维材料，因其优异的光电特性深受当今科学界的关注。锡烯曾被预测可能是世界上第一种能在常温下达到100%导电率的特殊材料，可实现在室温下进行无能量的电子输运，在未来集成度更高的光电器件应用方面具有重大意义。

本文以第一性原理为理论基础，利用Materials Studio这一材料计算软件来完成锡烯模型的构建。在设置好锡烯模型的晶格常数之后通过CASTEP模块对锡烯模型进行结构优化，之后同样在CASTEP模块分别计算本征锡烯和不同应力下锡烯的能带结构、态密度等电学性能参数以及介电常数、反射率、折射率、吸收系数等光学性能参数。最后将本征锡烯和应力下的锡烯各种参数进行对比研究，随之探讨出应变对单层锡烯电学、光学性能的影响。

关键词：锡烯；二维材料；第一性原理；光电性质

Abstract

Stanene is a new type of two-dimensional material composed of tin atoms. Because of its excellent photoelectric properties, it has attracted the attention of the scientific community today.Stanene has been predicted to be the first special material in the world that can achieve 100% conductivity at room temperature. It can realize the energy-free electronic transport at room temperature. It has great significance in the application of optoelectronic devices with higher integration in the future.

This article takes the first principle as the theoretical basis and uses Materials Studio, the material calculation software, to complete the construction of the Stanene model.After setting the lattice constant of the Stanene model, the CASTEP module is used to optimize the structure of the Stanene model.After that, the band structure, density of state and other electrical parameters, as well as the dielectric constant, reflectivity, refractive index, absorption coefficient and other optical performance parameters of the intrinsic Stanene and Stanene under different stress are calculated in the CASTEP module.Finally, various parameters of intrinsic Stanene and Stanene under stress are compared, and then the effect of strain on the electrical and optical properties of single-layer Stanene is discussed.

Key Words：Stanene；two-dimensional material；the first principles；photoelectric property

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 锡烯的结构 1

1.3 锡烯的性质 2

1.3.1 导电性质 2

1.3.2 力学性质 2

1.4 锡烯的应用 2

1.4.1 光电器件 2

1.4.2 高性能热电 3

1.5 本文主要研究内容 3

第2章 计算理论方法 4

2.1 第一性原理 4

2.2 密度泛函理论 4

2.2.1 Hohenberg-Kohn定理 4

2.2.2 Kohn-Sham定理 5

2.2.3 交换关联能泛函 6

2.3 光学性质计算 6

2.4 Materials studio软件 7

第3章 锡烯模型的建立 9

3.1锡烯模型 9

3.2锡烯模型优化 11

第4章 本征锡烯计算 13

4.1 计算设置 13

4.2 本征锡烯计算结果 15

4.2.1 能带结构和态密度 15

4.2.2 反射率 16

4.2.3 吸收率 17

4.2.4 折射率 18

4.2.5 介电函数 19

第5章 施加应变的锡烯计算 21

5.1 施加应变的计算设置 21

5.2 施加应变的锡烯参数 21

5.2.1 应变系数为2%时 21

5.2.2 应变系数为6%时 24

5.3 各种应变程度下的参数对比 27

第6章 结果与讨论 31

参考文献 32

致 谢 33

第1章 绪论

1.1 引言

在2004年，英国曼彻斯特大学的著名物理学家安德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，运用微机械剥离的方法，在石墨之中成功地分离出石墨烯来^[1]。在目前的科学研究之中，石墨烯是唯一存在的二维自由态原子晶体，具有许多非常奇特的机械和电学性能^[2][3]，它是一种呈蜂巢状排列的单层碳原子结构，是目前已知强度最高的材料之一^[4]。与此同时，还有几种二维材料如硅烯、锗烯、磷烯和锡烯等也逐渐被科学家们研制出来。

2013年，张首晟教授对锡烯进行了预测，认为锡烯也许是世界上第一种可以在室温下达到100%导电率的特殊材料。在未来具有更高集成度的电子学器件应用方面，锡烯具有重大的意义，这也引起了世界众多科学家对锡烯的广泛研究^[5][6]。2015年，Zhu Feng-feng等人利用分子束外延生长技术，得到了在碲化铋衬底上的锡烯薄膜，然后以第一性原理为基础，使用扫描隧道显微镜以及角分辨光电子能谱，最终明确了锡烯的电子和原子结构^[7]，这对锡烯的科学研究具有重大指导意义。

锡烯是一种量子自旋霍尔绝缘体，可以借助外加电场、化学功能基还有应力等方式，调节锡烯的量子自旋霍尔效应，这样就可以减少能源和物资的浪费，达到保护环境和节能减排的目的，因此锡烯也是光电子器件的理想材料^[8][9]。锡烯是由单层锡元素构成的二维结构，这种由锡原子构成的最薄的原子点阵是一种具有低度翘曲的类蜂窝状结构^[10][11]。锡烯的电子结构与石墨烯的电子结构比较类似，但是锡烯的自旋轨道间隙要比石墨烯的自旋轨道间隙大得多，由于这个特性，锡烯对于大多数在温室中基于量子自旋霍尔效应的电子元器件可作为一个极其具有前途的平台^[12]。但是在目前想要实现大面积、高质量的单层锡烯还是非常困难的。

Modarresi等人研究了在锡烯被施加应力后，锡烯电子和机械性能的具体变化。由于锡烯较强的自旋轨道耦合，锡烯在自旋轨道耦合作用下在K点打开了70meV的能隙，但是在施加应力后，锡烯能带结构中的能隙被关闭了^[13]。可见通过施加应力的方式能够改变锡烯的能带结构,进而影响其电学和光学性质。

由于锡烯的问世时间还不是很长，国内外目前针对锡烯展开的光电性能研究也没有很多，但是锡烯可能具有拓扑超导性、优异的热电性能、近室温条件下的量子反常霍尔效应等性质，因此，非常有必要对施加应力的锡烯的光电性质进行研究。

1.2 锡烯的结构

单层锡烯是一种类似石墨烯的六角结构，也可以说是类蜂窝状的二维结构，如图1.1所示。但是这又与石墨烯的结构有些不同，石墨烯是一个完全平面的结构，然而单层锡烯的结构具有一定的褶皱高度，这个褶皱高度大致为0.81Å。但是在2018年，Deng等人^[14]顺利研制出了没有褶皱的平面单层锡烯，他们使用低温分子束外延法并且在Cu(111)上合成。为了区别不同种的锡烯，可由其边界的形状将锡烯区分为沿扶手椅方以及沿之字形方向，这两个方向之间的夹角为90度。

图1.1 单层锡烯结构模型

1.3 锡烯的性质

1.3.1 导电性质

锡烯是一种量子自旋霍尔绝缘体，由于存在自旋轨道耦合的作用，锡烯的能带间隙在K点打开了70meV左右，因此锡烯的自旋轨道间隙要比石墨烯的间隙大得多。但是对于锡烯可以通过施加应力、化学功能基还有外电场等方式改变其能带结构，所以锡烯理论上可以实现在室温下达到100%导电率。

1.3.2 力学性质

Shi等人^[15]研究计算得到锡烯的杨氏模量是26.684N/m，锡烯具有机械稳定性，在不失去锡烯弹性和声子稳定性的前提下，锡烯最高可以承受的形变为20%。

1.4 锡烯的应用

1.4.1 光电器件

锡烯曾被斯坦福大学张守晟科研团队预测，可能是第一种可以在常温下实现100%导电率的特殊材料。从理论上来讲，相比于其它科学家们研制出的二维材料，比如锗烯、硅烯等等，虽然它们大多数都有比较良好的导电性能，但是锡烯的导电性能会明显更胜一筹，可以实现在常温下进行没有能量耗散的电子运输。这个特性使得锡烯在未来具有更高集成度的光电器件应用方面具有非常优异的前景。

1.4.2 高性能热电

在二维材料锡烯薄膜被实验发现以后，有理论科学家团队曾经针对锡烯的热传导特性进行深度研究^[16][17]，基于第一性原理并且结合声子波尔兹曼传输方程计算得到了锡烯晶格的热导率大致为11.6W/mK。这个11.6W/mK的热导率要远远小于其他大多数的二维材料，比如硅烯的热导率曾经被研究发现大致为26W/mK^[18]，这足以表明锡烯是一种良好的热电材料。

1.5 本文主要研究内容

本次实验研究是以第一性原理为基础，利用Materials Studio这一材料计算软件来构建锡烯模型，在设置好锡烯模型的晶格常数之后通过CASTEP模块对模型进行结构优化，分别计算本征锡烯和不同应力下锡烯的能带结构、态密度等电学性能参数以及介电常数、反射率、折射率、吸收系数等光学性能参数，对比研究应变对单层锡烯电学、光学性能的影响。

本文主要介绍了关于锡烯的研究近况、锡烯的原子结构、光电性质和应用前景，还有第一性原理的理论基础，材料计算软件Materials Studio的使用方法和技巧，锡烯模型的构建和优化，锡烯模型的能带结构、态密度和光学参数计算，以及不同应力下锡烯的光学参数的变化，并且最终探讨出应变对锡烯电学、光学性能存在哪些方面的影响，根据本次实验设计结果，提出应变对二维材料锡烯光电性能调控的相关应用的设想。

第2章 计算理论方法

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