局部应变对低维半导体材料的性质调制论文

局部应变对低维半导体材料的性质调制论文

研究生优秀毕业论文

西南交通大学

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西南交通大学硕士学位论文主要工作(贡献)声明

本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下：1．利用“循环替代法”对纳米线(Si、Ge为例)施加表面应变，借助DFT总能优化，构建合理的包含应变表面的模型。2．用总能计算来探讨一维Si、Ge纳米线和二维TaS2片层在应变之下的结构稳定性，即利用GGA．PBE研究其电学、磁学的性质。3．深入揭示了不同程度的应变对纳米材料的结构和电学、磁学性质的调制作用，对实验提供了一定的指导性建议。本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。

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日期：加l舜i-月订Ft

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西南交通大学硕士研究生学位论文第1页一

捅要

近年来，低维材料因其独特的物理化学性质而得到了普遍的关注和深入的研究，在实验中已被广泛地用于制作接近原子尺寸的器件。理论指导使得传统的量子器件持续小型化。加上异质界面或局域形变无处不在缘故，低维材料的局部应变(如表面应变)具有普遍性。到目前为止，关于低维材料的局部应变的细节尚有许多不清楚之处，在本工作中，我们用第一性原理的计算方法，研究包含应变的一维Si／Ge纳米线和二维层状(单层和双层)T态TaS2的结构及相关电学性质。我们分别用“循环替代”引起表面局域形变的方法和改变晶格常数的方法向两体系模拟施加应变。当在

12>方向Si纳米线(1 11)表面施加应变时，发现只有在很大的压缩形变之下才会出现

带隙减小的结果，而拉伸应变则一直会使带隙减小，并且出现明显的间接向直接带隙的转换。并且在应力之下出现了价带和导带的空间分离，压力使得价带顶局域在压缩表面上；而拉伸力则引起导带底局域在拉伸形变表面上。对于Ge纳米线来说，发现当施加压缩应变时，带隙几乎没有发生改变，这意味着在Ge／Si核壳结构的材料

中，Ge的电学性质几乎保持不变，为了验证该结论，我们做了Ge纳米线在应力应变下结构测试，发现键长和键角随应力是均匀变化的，即处于弹性形变中，保证了结果的合理性；应变与应变能呈二次函数关系，说明体系能量不受尺寸大小影响。另一方面拉伸应变则能够有效的使带隙减小，并致使价带项和导带底在空间发生了分离。接着我们研究了二维的 T态TaS2在应变下的性质变化，发现T态TaS2的电荷密度波被改变：它的单双层体系的电荷密度波在压缩应变之下减弱而在拉伸应变下增强。单层的TaS2是自旋轨道分裂的。但在大约3％的应变之下，其中一个自旋态能带的带隙减d,No eV，而另一个自旋态能带则保持有限的带隙，整体表现出了半金属的性质。

我们进一步研究两个单层TaS2形成双层结构时的情况，得出了在费米面之上和之下均出现局域电子态，为无磁性的半导体的结果。同时其带隙在拉伸应变比在压缩应变下减小的更快，在拉伸应变下出现半导体向金属的转换。本研究为稳固或调整Si／Ge 纳米线和片层TaS2的相关性质的方法探究提供了一个可行性的路线，为未来寻找和设计稳定且高效率的纳米器件提供了一个可能的有效方法。关键词：第一性原理计算；应力；调整；硅锗纳米线；1T．TaS2纳米片层；电荷密度波

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Abstract

Local strain is ubiquitous in nanomaterials due to heterointerface or local deformations while the details remain unclear．In this work，first—principles calculations are performed to investigate the structural and electronic properties of Si／Ge nanowires and layered(monolayer and bilayer)T-phase TaS2 under various strains．With our“cyclic replacement”method we applied surface strains into the(1 1 1) facet of Si／Ge<1 1 2>nanowires(1 D)and applied various isotropic strains on the layered TaS2 nanosheet(2D)by changing the lattice constant，respectively．For the Si

nanowires we found only strong surface compression results in band gap decline，while tensile strain always leads to decrease of band gap and impressively indirect．to．direct band gap transition．The local surface strain Can result in spatial

band minimum maximum to the compressed surface and separation of valence

minimum to the tensed surface．And surface strain applied on the Ge conduction band

nanowires shows a quadratic elastic relation to the deformation e nergy．It is found that the compressive strains hardly change the electronic band gap which implies electronic

are almost preserved．On the other hand，properties of Ge in the Ge／Si core-shell structures

the tensile strains reduce the gap efficiently and even result in spatial

maximum and conduction band minimum．On the other hand，separation of valence band

when monolayer and bilayer T-phase TaS2 are introduced various isotropic strains，

and enhanced the energetically preferred charge-density wave states are weakened

by compressive and tensile strains，respectively．Monolayer TaS2 is spin polarized，

band gap in one spin channel monotonically decreases to 0 eV from compression however，the

to tension，while the other channel remains semiconducting with a maximum band gap at around 3％．showing half-metallic features．When two monolayers form bilayer，the system becomes nonmagnetic semiconducting with two localized electronic states above and below the Fermi level．The band gaps decrease more

under tensile strains than that under compressive strains，leading to a rapidly

semiconductor．metal transition at tensile strain．These findings offer a feasible route to stabilize or tune related properties of the Si／Ge nanowires and the T-phase in TaS2

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西南交通大学硕士研究生学位论文第1II页

in CDW(charge-density wave states)and also offer a possible an effective way to look for and engineer stable and efficiem nanoelectronics devices．

Key words：first—principles calculations；strain；modulation；Si／Ge nanowires；

1 T-TaS

2 nanosheet；charge-density wave state．

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