低维TH-SiC电子性质与磁性调控的第一性原理计算.pdfVIP

摘要

SiC（碳化硅）作为第三代半导体材料，因其具有宽禁带和耐高温等特性而备

受关注。与传统的三维体相材料相比，新型的二维材料TH-SiC展现出了显著的优

势，包括其高比表面积、可高度调控的物理性质以及独特的新奇界面效应等。这些

特性使得TH-SiC在催化、能源存储和传感器等多个领域中具有巨大的研究潜力和

广泛的应用前景。本文研究主要通过对TH-SiC的物理、化学修饰调控材料的电子

性质或者诱导磁性产生以达到拓展材料的可应用范围的目的。

本文中基于密度泛函理论对TH-SiC的各种物理与化学修饰构型进行了第一性

原理计算，预测了各构型材料可能拥有的电子与磁性特点，主要研究内容包括：锯

齿方向与扶手椅方向切割的各边缘结构宽度为10Å左右的纳米带的电子性质和磁学

性质、边缘H吸附对纳米带电子与磁学性质的影响、二维TH-SiC材料的F原子表

面修饰对材料电子性质调控的效果。

第一章阐述了研究背景，着重简述了第三代碳化硅半导体材料、二维材料、一

维纳米带以及新型TH-SiC材料的特性，说明了本文的研究灵感来源以及与研究方

向。第二章说明了密度泛函理论的理论基础和实用化方程，简述了交换相关能量泛

函以及常见的研究概念和方法。第三章研究了扶手椅方向切割的纳米带的电子性质

和磁学性质，结论是该方向切割纳米带不易诱导磁性产生，边缘H钝化与饱和后可

大幅提升带隙，最大可以由二维的1.80eV提升至2.86eV，带隙可调节范围为0.21e

V至2.86eV。第四章的内容研究了锯齿方向切割的纳米带的电子性质和磁学性质，

理论计算指出该方向切割纳米带易诱导磁性产生，磁性主要由边缘C原子贡献，边

缘H钝化与饱和后可大幅提升带隙，边缘H饱和可致磁性完全消失，带隙最大可以

提升至2.24eV。第五章的内容研究了原始二维结构单、双侧F吸附构型的电子性质

和磁学性质，计算得到材料没有磁性，但带隙可以明显提升，TH-SiC-0.5F与TH-Si

C-1F的带隙分别提升至2.93eV、2.86eV，且材料在扶手椅与锯齿方向上的载流子有

效质量差值达到一个数量级，即材料载流子有效质量与迁移率将表现出明显的各向

异性。第六章则对所有构型的结论进行了总结与展望。TH-SiC的一维纳米带以及二

维F吸附结构作为一种新型的纳米材料，具有独特的电子性质和优异的物理化学特

性，可以满足不同能隙宽度需求的场景，对半导体器件的发展具有重要的意义。

理论计算在低维半导体的研究中扮演着至关重要的角色，它不仅能够揭示材料

的电子性质与磁学性质，优化制备工艺，指导器件实验设计与制造，还能对器件的

性能进行预测和改进，从而推动半导体器件的性能提升和应用拓展。本研究对第三

代半导体器件TH-SiC低维材料的电子与磁性调控所需材料的实验制备方向与应用

提供了一定的参考。

关键词TH-SiC；第一性原理研究；电子性质；磁学性质

Abstract

SiC(siliconcarbide),asthethirdgenerationsemiconductormaterial,hasattracted

muchattentionbecauseofitswidebandgapandhightemperatureresistance.Compared

withtraditionalthree-dimensionalbulkphasematerials,thenoveltwo-dimensionalmaterial

TH-SiCshowssignificantadvantages,includingitshighspecificsurfacearea,highly

controllablephysicalproperties,anduniquenovelinterfaceeffects.Thesecharacteristics

makeTH-SiChavegreatresearchpotentialandwideapplicationprospectsinmanyfields

suchascatalysis,energystorage