四族元素納米管帶隙的標度律：第一性原理研究.pdf

1、最近，通過氣相生長方法，成功地在實驗上合成了由錫元素組成的二維單層材料。這也就意味著，在得到石墨烯之后，通過各種各樣的方法，除鉛元素之外的所有四族元素構成的單層材料都在實驗上成功被合成，這些單層材料分別命名為硅烯、鍺烯、錫烯。和石墨烯類似，這些二維單層材料的電子性質均表現(xiàn)為無質量的狄拉克費米子。因此，這些材料都擁有非常高的載流子遷移率，同樣可以實現(xiàn)二維的量子自旋霍爾效應，量子反?；魻栃?，以及拓撲絕緣體等特性。與之類似地，在成功的合成這

2、些二維單層之后，這些元素構成的納米管的性質同樣引發(fā)了人們的關注。
　　實際上，早在石墨烯出現(xiàn)之前，碳納米管就因為其新奇的電子特性以及廣泛的應用引發(fā)了人們的關注。眾所周知，碳納米管的一個有趣的特性是它可以表現(xiàn)出金屬性或半導體性，這取決于碳納米管的手性。對于硅納米管來說，它擁有齒輪狀的結構，或者說褶皺的結構。先前的研究表明，硅納米管的帶隙對納米管的手性與尺寸都非常敏感，armchair型的硅納米管呈現(xiàn)出半導體特性，且?guī)峨S著納米管半徑

3、的增加而減小，zigzag型的硅納米管的帶隙同樣出現(xiàn)以3為周期的震蕩。
　　利用基于密度泛函理論的第一性原理計算，系統(tǒng)地研究了四族元素納米管的能帶特征，發(fā)現(xiàn)納米管第一布里淵區(qū)中的兩個特殊點處的帶隙決定了納米管的帶隙，分別對應二維結構中的K點與Γ點。K點與Γ點帶隙隨著納米管半徑的變化遵循兩條不同的標度律：K點帶隙遵循1/R的標度律，該標度律出現(xiàn)在擁有褶皺結構的硅、鍺、錫納米管中，非常重要的是，K點帶隙的標度律與納米管的組成元素無關而