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摘要随着对石墨烯的深入研究，人们发现了这种二文单层材料的诸多神奇性质。自然地，研究人员对与碳同族的硅的二文单层结构产生浓厚的兴趣。其中对硅烯缺陷的结构与性能的对应关系的研究更是当前的研究热点。本论文结合科学研究发展趋势论述了本课题的研究背景、研究内容与研究方法，并利用第一性原理结合分子动力学方法模拟分析了硅烯中不同空位缺陷结构及其性质。通过这些计算分析，我们可以与已知的石墨烯的研究对比，由此可以展望硅烯比石墨烯更美好的应用前景。20882
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关键词 硅烯 第一性原理 空位缺陷 结构
毕业论文设计说明书（论文）外文摘要
Title The design and performance calculation of silicene defects
Abstract
With the deep research on the graphene, people found many magical properties of the two-dimensional layer materials. Naturally, researchers generated strong interest on the two-dimensional monolayer structures of silicon which is the carbon species .The research on the relationship between structures and properties of silicene defect is the focus of current research. In this paper, combined with the development trend of scientific research, we discussed the research background,research content and method, and simulated and analysised different vacancy defect structure and properties of silicene by the combination of first principles and molecular dynamics . Through these analysis, we can compared with study of graphene known,so that we can find that application prospect of silicene is better than graphene.
Keywords silicene first principle vacancy defect structure
目 次
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究内容 2
1.3 研究方法 3
1.3.1 第一性原理方法 3
1.3.2 SIESTA 4
2 建立模型 5
2.1 硅烯 5
2.2 硅烯中的缺陷 5
2.3 建立硅烯中缺陷结构的模型 6
3 模拟结果分析 9
3.1 硅烯中空位缺陷的能带结构 9
3.2 对硅烯中空位缺陷的能带结构的分析 10
3.3 硅烯中吸附原子产生的缺陷结构 11
结 论 14
致 谢 15
参考文献16
1 绪论
1.1 研究背景
自2004年有人通过胶带从石墨上取得单层石墨烯以来，有关石墨烯的研究与应用已经取得一系列成果。[1]当人们在研究将石墨烯应用于微电子工业时，却发现它很难与硅基半导体技术兼容，于是人们又把目光从碳转移到同处在第四主族的硅上。硅和碳都拥有四个价电子，这意着这两种元素应该表现出相似的特性，通过理论预测和数据分析，研究人员推测，硅原子也能形成一种与石墨烯的结构类似的单原子层的硅薄膜。因为块体材料中的硅原子是以sp3杂化的形式存在的，这种硅硅间的共价作用很难被破坏，所以很难像石墨烯那样从块体材料中获得这种硅薄膜，直到近几年才陆续有科学家在衬底上通过外延生长的方法成功制得单层硅片，[2,3]考虑到硅sp2杂化的可能性，我们称制备出来的单层硅片为硅烯。
由密度泛函理论(DFT)计算发现，与石墨烯的平面结构相比，由于硅烯中双键的电子云重叠部分更小，杂化状态只能以更加弱的亚稳形式存在，因此硅烯是一种具有波浪(Buckled)结构的二文材料。2009年Ciraci等人重新对此计算，得到相同的结果，并且指出介于硅-(111)面的金刚石结构(sp3)与完全平面的结构(sp2)之间的低屈曲度结构（Low-buckled）是最稳定的[4]。随后的一系列理论研究工作表明，硅烯具有与石墨烯类似的Dirac型电子结构，它的布里渊区同样有751个线性色散的狄拉克锥[4]。因此，很多在石墨烯中观察到的新奇量子效应，都可以在硅烯中找到相对应的版本。而且，硅烯还具备很多石墨烯没有的优势，姚裕贵教授等人对硅烯的计算结果表明硅烯的非共面结构使得硅烯具有更强的自旋轨道耦合，在狄拉克点能打开更大的能隙，便于观测量子自旋霍尔效应[5]。我们通常认为硅烯是二文拓扑绝缘体，其能带结构能被外加的电场与磁场调制[6]，出现量子反常霍尔态、谷极化金属态（valley-polarized metal phase）[7]、拓扑相变等新奇量子现象。硅烯有着和石墨烯相似的电子结构与电学性质，不但能应用于之前构想的基于石墨烯的电子器件中，还能够更好地与目前的硅技术兼容，更加有利于生产大规模集成电路。