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摘要随着科学技术的发展，为了缩短新材料的开发周期，美国提出并实施了“材料基因组计划”。随着石墨烯等二文材料的优异性能被发现，对二文材料的挖掘成为研究热潮。过渡金属卤化物很多在自然界中储量丰富，其中很多种类具有层状结构。这类具有层状结构的过渡金属卤化物有希望制备成原子层二文材料，从而有机会同时拥有过渡金属原子强烈的电荷转移性质和二文材料独有的表面性质，可以应用在吸附和催化反应中。在本工作中，利用材料基因工程中的“计算平台”，通过基于密度泛函理论的第一性原理计算，对二文单层过渡金属卤化物进行结构驰豫和电学性质计算。结果显示，二文单层过渡金属卤化物拥有较广泛的电学性质，包含金属性和半导体，间接带隙和直接带隙。其中Ti、 V、 Cr等过渡金属卤化物带隙很小或为零， 有希望应用于锂电池材料； FeCl2、 VCl3、FeBr3拥有合适的直接带隙，在光致发光和场效应管等光电器件中有应用前景。 41651
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毕业论文关键词 材料基因工程 二文材料 过渡金属卤化物 电学性质 密度泛函理论
Title Explore New Transition Metal Halides-Atomic Layer 2D Materials Based on Material Genome Engineering Methods
Abstract With the development of science and technology, in order to shorten the development cycle of new materials, the United States proposed and implemented the " Materials Genome Initiative（MGI）". When the excellent performance of graphene and other two-dimensional materials were found, a lot of research efforts have been made to find and investigate two-dimensional materials. Many transition-metal halides are abundant in nature, and many species have a layered structure. With layer structures promising synthesis of two-dimensional atomic layers of material, transition-metal halides have the opportunity to have both high charge transfer properties of transition-metal halides and unique properties of 2D materials, which can be used in adsorption and catalysis reaction. Through "computation platform" in the Materials Genome Initiative and first-principle calculations based on density functional theory, I did structure relaxation and electrical property calculations of two-dimensional single layer of transition-metal halides. The results show that these materials have broader electrical properties, including metal and semiconductor, indirect bandgap and direct bandgap. Ti, V and Cr halides’ bandgaps are very small or zero, promising applications in the Li+ batteries; FeCl2, VCl3 and FeBr3 have suitable direct band gaps which can applied to optoelectronic devices such as photoluminescence and FET.
Keywords Material Genome Engineering Two-dimensional materials Transition-metal halides Electrical properties Density functional theory
目次
1绪论1
1.1材料基因工程1
1.2二文材料的性质和应用1
1.3基于材料基因工程方法研究二文过渡金属卤化物10
1.4本文研究的目的和内容10
2二文过渡金属卤化物模型设计11
3性能计算13
3.1计算原理13
3.2计算软件VASP简介14
3.3计算方法15
4二文过渡金属卤化物结果分析16
4.1结构参数16
4.2能带分析17
4.3态密度分析23
结论26
致谢27
参考文献28
1 绪论 1.1 材料基因工程 材料是当今社会科技发展的三大支柱之一，材料创新是推动技术革命的重要因素，材料的发现、开发、制造和使用的速度与技术的发展速度息息相关。材料研发的传统模式一直是基于科学直觉和试错法，花费时间长，渐渐不能适应科技的飞速发展，成为社会飞速发展的阻碍。 料的设计和筛选；建设“实验工具平台”，就是发展推广高通量材料制备与检测实验工具，对通过计算工具平台筛选出的材料进行再筛选和验证，争取高效率地准确地获取材料计算所需的重要数据；建设“数字化数据平台”，就是发展完善材料数据库及信息学工具，对材料的发现、开发、制造和使用这整个过程进行有效管理，达到无缝链接。这三个平台协同合作，在整个材料研发周期中发挥重要作用，从而极大地缩短材料从发现到应用的时间[5]，降低成本，提高效率。这一材料创新基础设施将对清洁能源，国家安全，人类未来产生重大影响。 材料基因工程是类比人类基因工程而得名[6]。显然，材料基因工程中的基因与人类基因工程中的基因是不同的两个概念。然而，他们在某种程度上是具有可比性的。 DNA 对应原子，DNA的序列对应原子排列即形成的原子结构和缺陷，生物基因 DNA的序列决定人类机能，相对应的，材料的原子性质和结构决定了材料的性能；蛋白质对应材料组织，DNA 经过翻译将遗传信息反映在蛋白质上，材料的宏观性能则体现在材料组织上[2]