文献综述
低维材料一直是近几年来研究的热点，最近预测的二维硅醚具有出色的稳定性，并且对氧分子也呈惰性。该材料显示出超共轭效应，从而导致了较高的面内刚度和电子迁移率。硅醚的间接带隙为1.89 eV，通过单轴拉伸应变可以触发间接-直接-间接带隙跃迁。所有这些出色的性能使硅醚成为基于硅的纳米电子器件的有希望的候选者。 掺杂是调控材料的一种手段，会影响材料的电子性质从而影响其电子输运性质。根据硅醚的结构特性进行一维纳米带剪裁，并进行过渡金属掺杂来调控硅醚纳米带的磁性及输运性质，以期给硅醚纳米带在纳电子领域的应用提供理论指导。
随着纳米科学与技术的蓬勃发展,对二维材料及其电子特性的相关研究也快速兴起。而且,对高速运算性能的迫切需求导致电子器件尺寸越来越小和集成化程度不断提高,为满足电路大规模集成化的要求,低维材料的设计和制备成为当今科学研究的前沿。对二维材料及其异质结的研究将为突破纳米电子器件的尺寸瓶颈提供有效途径.石墨烯的成功制备为二维材料的研究打开了一扇门。由于石墨烯的带隙为零,限制了其在半导体器件中的应用。[1]随着当今数字集成电路中的晶体管特征尺寸进一步缩小到10nm以内,由于量子限制效应的显现,引领半导体技术发展超过半个世纪的摩尔定律在传统硅基电子器件的开发中逐渐式微。科学家和工程师们一直在纳米电子学和自旋电子学等领域寻找构筑新型电子器件的新思路,包括引入新兴纳米材料、新的电子自由度（自旋）等。基于低维材料开发新型电子器件的研究尤为令人瞩目。由于低维材料本身所具有的新颖的电子特性,构建的器件在理论和实验上往往拥有不俗的性能。[5]
继石墨烯被发现合成之后，二维硅醚材料被预测为新型半导体。基于密度泛函理论的第一性原理计算，对二维硅醚的电子性质和光学性质进行了系统的研究。结果表明：通过调节应变和电场强度，可以调整二维硅醚的能带带隙。特别是在压缩应变下，二维硅醚存在间接带隙向直接带隙的转变。通过第一性原理方法研究了硅醚结构、电子和光学性质。结果表明，二维硅醚是一种新型的二维材料。硅醚可能为纳米器件的应用提供一种新型的二维材料。[3] 自从 Novoselov 等在 2004 年首次制备和分离出单层石墨烯，具有独特物理性质的二维材料一直是纳米科学和纳米技术领域的研究热点之一。由于其优异的电子、力学和光学性能，二维材料在过去的几年中引起了人们的关注，并得到广泛的应用。[3、11]传统的硅工艺电子器件,随着集成化程度的不断发展已经到了一个瓶颈期。为了适应信息时代的发展,必要寻求可以超越硅材料的电子器件材料是必由之路。自2004年石墨烯被成功制备以来,二维材料引起了人们广泛的关注,二维材料在极小的尺度下有着出色且独特量子效应,被看成是制备微纳电子器件的优良材料。过渡金属掺杂可以有效地调控二维材料的磁性性质和电子性质,但是过渡金属掺杂对其晶体环境比较敏感,采用了第一性原理的方法研究了化学修饰对过渡金属掺杂石墨烯以及二硫化钼的磁性调控，发现过渡金属掺杂石墨烯的电子性质对局域库伦势十分敏感。掺杂的过渡金属我们主要考虑的Fe、Co、Mn及Ni。[7]
近年来，电子自旋成为研究人员关注的一大热点，并且逐渐形成了一个新的领域自旋电子学 ，而自旋特性的重要性使得研究者对同一物质的期许，不仅是应用其电子性质，还有它的自旋电子特性，从而能够制备出性能优异的新型半导体器件。因此，科研工作者通过化学修饰、化学掺杂或者引入空穴等方式来研究其对二维材料磁性的影响。材料磁性的影响。就硅烯掺杂过渡金属原子对其电子结构和磁性进行总结与探讨，过渡元素是指元素周期表中 d区的一系列金属元素，又称过渡金属。[9、10]
采用第一性原理计算方法研究金属原子替位掺杂硅烯体系的结构,电子性质和磁性质,以及在外电场或拉力作用下金属原子掺杂硅烯体系特殊的磁性变化。我们系统的研究了过渡金属原子（Sc-Zn）嵌入硅烯单空位体系的结构,电子性质和磁性质。研究发现,除Zn原子外其它9种金属原子（Sc-Cu）掺杂硅烯体系都会呈现两种稳定的结构,不同金属原子掺杂硅烯的结构会有不同的对称性,即使同种金属原子掺杂硅烯所产生的两种结构也可能具有不同的对称性。且计算发现有些金属原子掺杂硅烯体系所具有的磁矩大小会不同于其掺杂石墨烯的磁矩。我们对过渡金属原子替位掺杂硅烯体系施加外电场研究其电子性质和磁性质的变化。[8]通常情况下二维材料的物理或化学性质未能满足未来纳米电子器件材料的所有要求。过渡金属掺杂能够有效的调控二维材料的电子结构并引入磁性,从而为二维材料在自旋电子器件和磁存储方面的应用提供材料基础。利用基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了过渡金属掺杂磷烯、硫化铊对材料电子结构和磁性的调控,以及过渡金属插层对磷烯和硫化铊异质结电子结构和磁性的调控。这为他们在自旋电子器件相关领域的应用提供了理论基础。过渡金属插层可以使体系表现为金属、半金属、半导体等性质。部分体系表现出稀磁半导体性质。[2]
2014年,实验中制备出一种新型的二维材料——磷烯,因为其具有极高的开关比、载流子迁移率和天然的直接带隙,在场效应晶体管、光电子器件等方面展现出广阔的应用前景,磷烯很快成为目前纳米物理领域研究的一种热点材料。考虑到磷烯在电子器件领域实际应用中的需求,边缘效应和掺杂效应对器件电子性质的影响极为重要。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,通过Fe、Co、Ni对锯齿型磷烯纳米带进行3d过渡金属的掺杂,来探讨尺寸效应和边缘效应对局域磁矩及磁矩调制的影响。研究发现,对于这三种过渡金属掺杂的稳定位点都在条带内部,且掺杂位点与边缘的距离大于3条锯齿型链时,掺杂位置不再受到边缘的影响。Co掺杂不能引入非零磁矩,而Fe和Ni引起1mu;B的局域磁矩。[4]
石墨烯纳米带（GNRs）因其具有的特殊几何结构和优越的电学性质,在纳米电子学领域具有潜在应用价值,而过渡金属元素在GNRs上的吸附或掺杂而使GNRs具有更多优异的电学磁学特性,因而受到了越来越多的关注。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理,首先对未掺杂的不同自旋极化构型下GNRs的电学磁学特性进行计算,接着对Zr吸附、掺杂的GNRs的稳定性、电学磁学性质、传输特性进行了理论计算。主要研究内容如下:（1）研究了四种不同自旋极化构型的锯齿形石墨烯纳米带（ZGNRs）的电子结构和传输特性。计算结果显示,ZGNRs的电子传输特性很大程度上受到纳米带边缘的电子自旋结构的影响。对于平行的自旋组态（spin-parallel）结构来说,在低偏压下其电流-电压是线性关系;对于反平行的自旋组态（spin-antiparallel）结构,其传输特性具有很强的自旋极化依赖性,这样的性质使得该结构可以作为潜在的自旋滤波器;而对于另外两个自旋组态结构,可以明显看出其具有半导体特性,在低偏压时,该结构具有很强的磁致电阻（magneto-resistance,MR）。（2）研究了在扶手椅型石墨烯纳米带（AGNR）中吸附Zr元素的稳定性、电子结构以及传输特性。研究结果表明,Zr原子吸附在纳米带边缘更加稳定；AGNR吸附Zr原子后体系均具有铁磁性（ferromagnetic,FM）,具有明显的金属性和自旋过滤现象,各体系还出现了明显的负微分电阻效应。（3）研究了Zr元素在AGNR上不同位置、不同浓度的掺杂的5种Zr-AGNR构型,计算了各构型的结构稳定性、电子结构及传输特性。研究结果表明,各构型均表现为非磁性（non-magnetic）；在D型掺杂中,Zr原子掺杂在AGNR边缘使体系更稳定,而T型掺杂体系稳定性最强;AGNR掺杂Zr元素后体系均具有金属性:D型掺杂金属性比T型掺杂强；双边同时掺杂的金属性比单边掺杂强。各体系的电子正向导通的通道主要是Zr原子链。（4）研究了Zr在锯齿形石墨烯纳米带中不同位置、不同浓度掺杂的5种Zr-ZGNR的稳定性、电子结构及传输特性。计算结果表明不同结构表现出不同的磁性。Zr原子掺杂在ZGNR边缘使得体系更加稳定,各掺杂体系均具有金属性,且双边掺杂金属性比单边掺杂强。[6]
迄今为止，已有许多实验和理论方法来研究二维异质结构的优点，如石墨烯/氮化硼、砷烯/锑烯、砷烯/石墨烯。这些研究表明，异质结构具有优异的光学和电子性能，被认为是极有前景的新型微电子器件。此外，异质结构合成了两个单分子层的光学性质，并主要增强其在紫外光区的光学性质。因此，更有利于异质结构在微电子和光电子领域的应用。如今，异质结构如石墨烯/过渡金属硫族化合物、锑烯/锗烯、硫化镓/硒化镓、石墨烯/砷化镓、氮化硼/硅烯、硅锗/氮化硼以及磷烯/氮化硼等已受到广泛关注。它们结合形成的异质结构与单个的二维材料相比具有优异的性能。通过改变层间距、施加外加电场和应变，可以有效地调节带隙。Cao 等通过对锡/氧化锌异质结构施加外加电场和应变，结果表明电场可以调控电导率，提高电子传输性能。此外，当对异质结构施加压缩应变时，会发生由间接带隙向直接带隙的转变，当施加拉伸应变时，带隙会急剧减小。这种电子性质可调的异质结构将在纳米领域得到应用。[3]二维硅醚被合成并预测为具有优异的电子和光学性能的新型半导体材料。硅醚的吸收范围从紫外区到可见区。由于其优异的特性，使其在纳米电子和光电子领域具有广阔的应用前景。因为异质结构合成单个材料的属性，表现出独特的光学和电子性能。[3]
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