检索结果-南通市图书馆

作者：杨花玲山西师范大学

学位级别：硕士

物理领域最基本,量子霍尔效应是凝聚态最重要的量子效应之一。在量子霍尔效应中,强外磁场会产生朗道能级使得传导的电子在体内做迴旋导致体内绝缘,边界上的电子不能形成迴旋,使得电子在样品边上只能朝着一个方向传输形成了一个导电通道... 详细信息

物理领域最基本,量子霍尔效应是凝聚态最重要的量子效应之一。在量子霍尔效应中,强外磁场会产生朗道能级使得传导的电子在体内做迴旋导致体内绝缘,边界上的电子不能形成迴旋,使得电子在样品边上只能朝着一个方向传输形成了一个导电通道的边界电流,由于该电流受体系拓扑性的保护,而不会受到缺陷的影响,因此可以应用于设计无耗散或低耗散的电子学器件。但是,这种量子霍尔效应需要极强的外磁场,这是实际器件设计的障碍之一。那么,有没有不需要外加强磁场的量子霍尔效应呢?这种不量子霍尔效应需要施加强的外磁场的就是量子反常霍尔效应。2013年我国科学家首次在实验上成功地观测到了这种现象,但是其观测的温度特别低,只有30m K,这就限制了它在低能耗电子学领域的潜在应用。因此,提高量子反常霍尔效应的观测温度,特别是在制备简单的材料中实现高温量子反常霍尔效应就成为了目前急待解决的问题。自从石墨烯,硅烯被发现以来,一直被认为是自旋电子学材料领域理想的材料。这些物质的晶格结构与1988年美国物理学家Haldane所描述的六角蜂窝结构是完全一样的。其能带结构具有线性的狄拉克色散关系,弱的自旋轨道耦合作用。理论和实验研究表明加强这些二维材料的SOC即自旋轨道耦合有着至关重要的影响。因为许多奇异的物理现象与之息息相关,比如自旋霍尔效应。目前研究表明,在石墨烯,硅烯上吸附过渡金属能够显著的增强它的外禀的自旋轨道耦合作用,进而打开拓扑非平庸的带隙来实现量子反常霍尔效应。但是通过单吸附过渡金属来实现量子反常霍尔效应的方式存在一些问题,如吸附稳定性等。在这篇论文中,我们主要是基于过渡金属原子能够明显增强石墨烯,硅烯的自旋轨道耦合作用,利用n-p共掺杂思想和第一性原理的计算方法,研究了以下两方面的内容:1.首先,我们系统的研究了八种5d过渡金属原子单掺和共掺硼(B)吸附在石墨烯上的稳定情况,接着计算了上述几种原子共掺硼(B)后体系的电子结构,能带图显示硼(B)/铪(Hf)共掺杂石墨烯体系能够产生拓扑非平庸的第一种类型的带隙,大小为20.5me V。此外,在分析能带图的时候我们发现硼(B)/铼(Re)和硼(B)/铂(pt)共掺杂石墨烯这两个体系有非常明显的自旋劈裂现象,我们对其中的四条能带进行了详细分析,发现自旋劈裂能绝对值?(35)so?达到158meV,比报道的由于内禀的自旋轨道耦合导致的自旋劈裂能大好几个数量级,这个结果有利于设计新型的自旋电子学材料。我们的这个研究为将高温量子反常霍尔效应应用于实际提供了新的解决途径。2.我们研究了5d过渡金属吸附在硅烯体系的稳定性的情况和电子结构。我们首先发现Os掺杂硅烯体系能够打开第一种类型的拓扑非平庸的带隙,大小为13.5meV,因此,可能实现量子反常霍尔效应的。同时我们给Os掺杂硅烯体系上施加了-3%到2%的应力后发现这个体系仍然是可能实现量子反常霍尔效应的,且可调控。我们的这个研究为高温量子反常霍尔效应应用于实际提供了新的方案。

关键词：量子反常霍尔效应 n-p共掺杂石墨烯硅稀Rashba自旋轨道耦合第一性计算原理 5d过渡金属

非补偿n-p共掺杂ZnO薄膜结构和性质的研究

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非补偿n-p共掺杂ZnO薄膜结构和性质的研究

作者：仝瑞雪山西师范大学

学位级别：硕士

氧化锌(ZnO)是一种重要的电子信息功能材料。化学性质稳定,原料来源丰富,对环境友好,300 K下大的带隙宽度等优点使得ZnO在发光装置、透明电极等领域有着巨大的应用前景。为了进一步扩大其应用范围,人们经常通过元素掺杂改善其性质,其中... 详细信息

氧化锌(ZnO)是一种重要的电子信息功能材料。化学性质稳定,原料来源丰富,对环境友好,300 K下大的带隙宽度等优点使得ZnO在发光装置、透明电极等领域有着巨大的应用前景。为了进一步扩大其应用范围,人们经常通过元素掺杂改善其性质,其中非补偿n-p共掺杂就是一种有效的掺杂方法。相对于元素单掺杂,非补偿n-p共掺杂不但可以提高元素固溶度,使ZnO获得磁性,避免团簇和第二相磁性杂质相的出现,还可以有效的调节其带隙,改善其电学性能。本论文以V/n和Cr/n为非补偿n-p共掺对,采用脉冲激光沉积技术制备了一系列掺杂ZnO薄膜,系统的研究了V/n和Cr/n共掺杂对ZnO薄膜结构、输运、磁性和光学性质的的影响。主要研究内容如下:(1)采用脉冲激光沉积技术在AlO(0001)基片上制备了一系列ZnVO和ZnVO/n(x=0,0.01,0.03,0.06)晶体薄膜,通过对比不同掺杂量对薄膜各性能的影响,阐释了非补偿n-p共掺杂在调控ZnO薄膜输运、磁性和光学带隙方面所发挥的优势与作用。研究结果表明,薄膜样品结晶性良好,ZnO(002)面为主要晶面,没有检测到V金属团簇及其氧化物。与n单掺杂相比,V/n共掺杂能够有效增加n在ZnO基体中的固溶度,并且V在高掺杂含量时以V和V存在,在低掺杂含量时主要以V存在。Hall测试表明薄膜均为n型半导体,Zn VO薄膜的载流子浓度可达1020cm-3,由于nO的补偿作用,ZnVO/n薄膜的载流子浓度降至1019 cm-3,但仍大于纯ZnO的载流子浓度。ZnVO/n比ZnVO薄膜有着更大的室温饱和磁矩,其磁性同时受载流子浓度和氧空穴的调节。薄膜的光学带隙与载流子浓度有关,在薄膜内可能发生了Burstein-Moss效应。(2)利用脉冲激光沉积方法制备了一系列ZnCr O和ZnCr O/n(x=0,0.05,0.10)纳米薄膜,研究了Cr/n共掺杂对ZnO薄膜结构、磁性及光学性质的影响。结构测试表明薄膜样品均为单相纤锌矿结构,且沿c轴垂直取向生长。Cr以Cr离子存在于ZnO中的取代位,而n则几乎没能够有效的进入ZnO晶格中的取代位。ZnCrO和ZnCrO/n薄膜均显示一定的室温铁磁性,在Cr、n掺杂含量合适的情况下,ZnCrO/n薄膜可获得最大的室温饱和磁化强度,其铁磁性与薄膜内存在的氧空穴浓度有一定的关系。Cr/n共掺杂比Cr单掺杂和n单掺杂更能有效增大ZnO薄膜的带隙,其变化受晶粒尺寸的影响。总之,我们沉积了一系列Zn VO/n和ZnCrO/n薄膜样品,成功的实现了对ZnO稀磁半导体薄膜载流子浓度、磁性和带隙的调控,这有助于ZnO半导体材料在未来电子器件中的发展及应用。

关键词： n-p共掺杂 ZnO薄膜磁性带隙

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pd-TiO2单原子催化机理及调控研究

Pd-TiO2单原子催化机理及调控研究

作者：史金磊郑州大学

学位级别：硕士

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了在单原子尺度下,过渡金属元素催化剂,如钯和镍等对CO催化氧化的微观反应机理。成功解释了单个钯原子及其二聚体催化剂具有迥异催化活性的本质,并通过n-p共掺杂方式有效调制了原本没... 详细信息

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了在单原子尺度下,过渡金属元素催化剂,如钯和镍等对CO催化氧化的微观反应机理。成功解释了单个钯原子及其二聚体催化剂具有迥异催化活性的本质,并通过n-p共掺杂方式有效调制了原本没有催化活性的钯单原子的催化性能。第一章,我们简要介绍了异相催化领域的背景知识,内容涉及近年来人们在纳米催化剂领域内做出的贡献、研究现状、单原子催化剂的概念、实验上对其表征、制备及其在工业上对不同催化反应的应用及微观反应机理。同时,针对目前单原子催化剂遇到的瓶颈,我们针对单原子催化剂的工作原理和催化活性的改善做出了初步理论设想。第二章,主要介绍了第一性原理计算中的密度泛函理论和计算中使用的模拟计算软件。第三章,根据实验上观察到的pd单原子和pd双原子在TiO2(110)表面上对CO催化氧化表现出的截然不同的催化效率。我们系统研究了该原子尺度的催化剂对氧分子的吸附和激发能力的物理原因。该论文中,我们重点验证自旋选择定则和d-band理论是否主导pd/TiO2(110)和pd2/TiO2(110)对O2的激发和对CO的催化活。根据d-band理论,过渡金属催化剂的化学活性与其电子结构的d-band中心相对于费米面的位置有关,也即是,金属衬底的d-band中心越靠近费米能级,过渡族金属催化剂对吸附在其上的反应物分子就具有越强的相互作用,从而有利于削弱吸附物的成键并促进化学反应的进行。我们的第一性原计算结果表明,单原子及其二聚体有着迥异的催化活性,而这种催化性能并不是单独由自旋选择定则所决定的,更大程度上是由熟知的前线轨道理论或者是广义的d-band模型所决定的,而这种广义的d-band模型强调过渡金属的最高占据轨道(HOMO)的位置而不是传统意义上的d-band理论中的d-band中心的位置。在原子尺寸下,过渡金属催化剂产生的不连续的、量子化的d轨道能级,而不是连续的d-band。因此,费米面附近过渡族金属HOMO和吸附物比如O2分子的最低未占据轨道(LUMO)之间的能隙决定催化剂的催化活性。具体来讲,对于pd单原子催化剂而言,较大的HOMO(pd)-LUMO(O2)能隙导致了过渡金属单原子和O2之间非常弱的轨道杂化,从而限制其对O2的激发。然而对于pd的二聚体情况,HOMO(pd2)-LUMO(O2)能隙显著减少,这也极大促进了两者轨道之间的杂化和相互作用,比如电荷和自旋转移。第四章,鉴于第四章中我们对单原子pd及其二聚体在CO催化反应的微观机理的理解,我们尝试使用n-p共掺杂的方法来调控衬底,通过共掺杂元素(V-C,V-n,Cr-C,Cr-n)来调控衬底的电子结构,进而促进衬底与沉积在其上的pd原子产生更强的电子相互作用。该相互作用有效改善了pd单原子的电子结构,特别是其HOMO相对于费米能级的位置,从而有效降低了]TOMO(pd)-LUMO(O2)带隙,增强其激发氧分子的化学活性,最终大大降低了CO催化氧化的反应势垒,即提高了其催化效率。计算中,我们系统研究了掺杂效应对02在pd/TiO2(110)催化剂上的吸附能、电荷转移的调制机理和物理规律。发现,pd和衬底之间的相互作用越强,从pd到Ti02(110)衬底的电荷转移越多,HOMO(pd)-LUMO(O2)能隙将越小,越有利于02的吸附和激发以及CO催化氧化。第五章,对论文进行总结与展望。我们的工作通过探究pd单原子及其二聚物催化剂在Ti02(110)表面表现出的迥异催化性能,并发现了决定其催化活性的微观机理,从而设计出一种有效的n-p共掺杂方法来调控衬底的电子结构,进而与单原子催化剂产生较强的相互作用,使原本催化惰性的pd单原子变得活泼。通过在单原子尺度下研究影响单原子催化剂催化活性的因素,这种共掺杂方法通过调制衬底的电子结构,进而调控衬底与单原子的电子-电子相互作用,并有效改善其催化性能,不失是一种有效的,经济实用的方法,为优化其他单原子催化剂的催化活性提供了重要的理论借鉴。

关键词：第一性原理计算过渡(贵)族金属单原子催化剂 O2吸附 CO催化氧化反应势垒 n-p共掺杂催化剂性能调控

n-p共掺石墨烯量子自旋霍尔和巨Rashba旋轨耦合效应的研究

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n-p共掺石墨烯量子自旋霍尔和巨Rashba旋轨耦合效应的研究

作者：杨应萍山西师范大学

学位级别：硕士

石墨烯,一种内禀的二维拓扑绝缘体。它被认为是很有前景的自旋电子学候选材料源于其载流子的拓扑性质和能够操控旋转自由度的自旋轨道耦合。增大石墨烯体系的自旋轨道耦合可以诱导各种拓扑现象,如量子自旋霍尔效应、量子反常霍尔效应等... 详细信息

石墨烯,一种内禀的二维拓扑绝缘体。它被认为是很有前景的自旋电子学候选材料源于其载流子的拓扑性质和能够操控旋转自由度的自旋轨道耦合。增大石墨烯体系的自旋轨道耦合可以诱导各种拓扑现象,如量子自旋霍尔效应、量子反常霍尔效应等,也可以应用到自旋电子学领域。而最早理论预言的量子自旋霍尔效应就是在石墨烯上,只是其自身的自旋轨道耦合很弱在狄拉克点处打开的帯隙较小,实验上根本观测不到。之后一些实验和理论计算对自旋轨道耦合效应又做了进一步研究,比如实验上能够在一些量子阱中观测量子自旋霍尔效应,但是极低的温度和超高质量的样品限制了它在低能耗的电子学领域的潜在应用。想要增大石墨烯的自旋轨道耦合强度同时不显著影响其基本物理性质被证明是非常困难的。本论文采用第一性原理计算方法,基于补偿性n-p共掺杂思想系统的研究了以下两个方面的内容:1.我们研究了(铊)Tl和F4-TCnQ(四氟四氰二甲基对苯醌)共掺杂石墨烯体系的电子结构,结果显示能够产生一个大的、内禀的带隙值26.9me V,更重要的是,F4-TCnQ/石墨烯体系上重金属原子Tl不同吸附位置构建的多种构型对混合体系的带隙几乎无影响;进而改变重金属原子Tl的掺杂浓度,Tl/石墨烯/F4-TCnQ共掺杂体系的带隙也随之改变。这研究为实验研究和高温量子自旋霍尔效应的实际应用提供了一种新的解决方案。2.我们研究了铊(Tl)-硼(B)和铊(In)-硼(B)共掺杂石墨烯体系的电子结构和自旋电子学性质。结果显示它可以同时解决单个原子吸附在石墨烯上的所有的缺点,n-p补偿性共掺有助于保护电荷载体的狄拉克性质;有效的产生大的Rashba自旋轨道劈裂,自旋劈裂能绝对值?(35)so?在?带达到130me V,另外,B掺杂效应和内在的自旋轨道耦合(吸附Tl引起)也能够使体系打开20-90me V范围内的带隙。这项研究为设计新型的石墨烯基自旋电子学材料提供了理论依据。

关键词：量子自旋霍尔效应 n-p共掺杂石墨烯 Rashba 自旋轨道耦合第一性计算原理