基于新型二维材料的微纳米传感器工程传感机理研究工程专业

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由于二维材料优异的物理与化学特性，因此二维材料在传感器上的应用极具潜力。但现有各类二维材料并不具有完美的特性，例如：石墨烯具有极高的载流子迁移率，极强的柔韧性，但是其零带隙的性质限制了其在电子器件尤其是场效应晶体管(FET)中的应用；二维六方氮化硼带隙过大，且载流子迁移率太低；过度金属硫化物具有合适的带隙，但是其载流子迁移率却不够高，且机械强度不足。

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因此，二维材料研究领域一直在探寻一种各项性能优异，易于制造的新型材料，并将其用于电子器件和传感器领域。随着传感器应用领域的不断扩展和性能要求的逐渐提高, 新型二维材料由于其突出的各项性能，已成为备受关注的传感材料。关于新型二维材料的实验研究已经兴起，但在实际应用方面还处于初始阶段，其灵敏度、响应速度以及选择性、稳定性等还需进一步提高。开发利用二维材料的优异特性并使之实用化是今后研究的主流，而计算机仿真模拟即是研究其潜在传感应用的最快速有效的方法。在计算仿真中，第一性原理计算己经成为研究微观体系的一种重要手段[1-4]。近年来，第一性原理计算在材料设计、生物医学、界面研究等领域都得到了极为广泛的应用，成为研究者们不可或缺的工具。

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本课题主要开展了以下几个方面的研究工作：1. 首先设计并建立石墨烷/全氢化六方氮化硼双层结构，研究石墨烷/全氢化二维六方氮化硼双层结构的电学特性及结构稳定性，并施以外加电场，得出其带隙和结合能随电场强度及方向的变化趋势，确定在外加电场下其电学特性和稳定性，研究其潜在的电子器件及传感器应用。2. 设计硅烷/石墨烷及硅烷和全氢化二维六方氮化硼双层结构的结构和性质，研究其稳定性、电学特性和光学特性，并分析并比较这两种双层结构的电学特性及稳定性。施以外加电场，得出其带隙和结合能随电场强度及方向的变化趋势，确定在外加电场下其电学特性和稳定性，研究其潜在的电子器件及传感器应用。

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随着石墨烯性质研究的不断深入，其优异的力学性能和独特的电子性能决定了石墨烯双层或复合材料将成为非常有前途的研究领域。石墨/金属氧化物复合材料已经获得了极大的关注，由于金属氧化物与石墨烯的组合起到了协同效应，对比原始的金属氧化物可以显著提高性能。氧化铝(Al2O3)由于具有强度高、耐高温、耐腐蚀、抗氧化、电绝缘性能好、介损低、无毒等优良特性，成为当今应用最广泛的材料之一。

最近，范等人[15, 118, 119]报道了具有高导电性和可调电荷载流子类型的 G / A 复合材料。其他实验表明，G/A 复合材料可用于导电材料[120]和传感设备[121, 122]的良好材料。但经文献调研，没有任何实验报道过 G/A 双层结构或复合材料的电场效应或力学性能。

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此外，掺杂的 G/A 双层结构或复合材料还没有被制备和研究。在这项工作中，使用了第一原理研究其电子结构，并首次研究了掺杂的 G/A 双层结构及其性能。在此研究中，选择广义梯度近似(GGA)和 Perdew Burke Ernzerhof (PBE) 处理所有电子的交换关联能[92]。因为标准的 PBE 泛函并不能准确地描述弱相互作用，通过色散校正的密度泛函理论（DFT-D）方法和 Grimme 范德华校正保证计算的精确度[25]。此外，选择双数值极化基组 DNP 且全局截断为 5.0 。结构优化过程和电子结构计算时布里渊区的 K 点密度均设置为 12×12×1。原子位置和晶胞矢量都进行弛豫，直至能量、最大力和最大位移都分别小于 1.0×10-5Ha (1 Ha = 27.21 eV)、0.002 Ha/ 和0.005 。同时，设置了 0.005 Ha 的尾拖值用以加速计算并提高收敛性。此外，在垂直于层面的方向上设置真空层为 25 ，此真空厚度足够避免周期性结构间相互作用。所有计算均在 Materials Studio 8.0 中的 DMol3模块中完成。