单壁GaN纳米管的结构稳定性及其性质：第一性原理研究

论文摘要

以氮化镓为代表的Ⅲ-Ⅴ族化合物宽带隙半导体材料具有优良的光电特性和稳定的物理性质。目前,氮化镓块体结构和薄膜结构已经被广泛的研究。然而,对于一维氮化镓纳米结构的研究还处于开始的阶段。作为一种典型的准一维纳米材料,氮化镓纳米管在力学、磁学和光学等方面表现出奇异的物理性能。本文采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法,研究了小管径氮化镓纳米管的稳定性和电子结构,并讨论了锰掺杂氮化镓纳米管的磁学性质以及掺杂锰原子之间的相互作用。本论文包括以下五部分:第一章,首先介绍了纳米管结构体系的研究现状、物理性能和应用前景,包括碳纳米管和无机纳米管。另外介绍了氮化镓块体的结构、性质以及关于氮化镓纳米管的理论和实验的研究现状。第二章,介绍了基于密度泛函理论的第一性原理计算软件VASP,包括它的主要理论基础和主要功能。第三章,首先研究了氮化镓块体和大管径氮化镓纳米管的电子结构特征,然后重点讨论了小管径氮化镓纳米管的热稳定性,分析了可能存在的氮化镓纳米管结构并探讨了直径在0.3-0.55nm的氮化镓纳米管的电子结构。第四章,通过对锯齿型氮化镓纳米管中锰掺杂的计算,研究了掺杂氮化镓纳米管的磁学性质和掺杂原子之间的相互作用。第五章,是对本工作的简单总结,在给出已经取得研究结论的同时,指出了工作中存在的不足和对未来工作的展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 纳米管家族
• 1.1.1 碳纳米管的发现及制备
• 1.1.2 碳纳米管的基本结构及电子性质
• 1.1.3 碳纳米管的性能及应用
• 1.1.4 非碳纳米管
• 1.2 GaN 的结构特征及其性质
• 1.2.1 GaN 块体材料的结构、性质及其制备
• 1.2.2 GaN 纳米管的理论和实验研究
• 1.3 本论文研究的主要内容
• 第二章 理论计算原理和方法
• 2.1 密度泛函理论
• 2.1.1 Hohenberg-Kohn 定理
• 2.1.2 Kohn-Sham 方程
• 2.1.3 局域密度近似和梯度修正近似
• 2.2 赝势平面波方法和超软赝势
• 2.3 投影缀加波方法（PAW）
• 2.4 VASP 软件简介
• 第三章 小管径单壁GaN 纳米管的结构及其稳定性
• 3.1 引言
• 3.2 单壁GaN 纳米管的结构特征
• 3.2.1 关于GaN 块体及大管径单壁GaN 纳米管的研究
• 3.2.2 小管径单壁GaN 纳米管的研究
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 纳米管结构计算结果和分析
• 3.3.2 稳定性讨论
• 3.3.3 电子结构计算
• 3.3.4 小结
• 第四章 Mn 掺杂GaN 纳米管的第一性原理研究
• 4.1 引言
• 4.2 计算方法和理论模型
• 4.2.1 计算方法
• 4.2.2 理论模型
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 Mn 掺杂的GaN 纳米管的稳定性
• 4.3.2 Mn 掺杂的GaN 纳米管的磁性
• 4.3.3 Mn 掺杂的GaN 纳米管中Mn-Mn 的相互作用
• 4.3.4 小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论文