二维原子晶格/SiC异质结电子结构的理论研究开题报告

1. 研究目的与意义

研究背景：碳化硅（sic）又名金刚砂是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生产绿色碳化硅时需要加食盐）等原料通过电阻炉高温冶炼而成。在当代c、n、b等非氧化物高技术耐火原料中，碳化硅为应用最广泛、最经济的一种，可以称为金钢砂或耐火砂。1891年美国人艾奇逊在实验室偶然发现的碳化物，取名金刚砂。纯碳化硅是无色透明的晶体。工业碳化硅因所含杂质的种类和含量不同，而呈浅黄、绿、蓝乃至黑色，透明度随其纯度不同而异。sic材料具有大约3ev的能隙，如果将二维原子晶格生长到sic的(0001)表面，sic本身的电子态将不会对费米能级附近的二维原子晶格结构材料的电子态产生影响，即sic是一种非常理想的半导体/绝缘体衬底材料，对二维原子晶格/sic异质结材料体系电子结构的研究具有重要的理论研究意义。

研究目的：利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究二维原子结构/sic异质结的晶格结构及电子结构特性，根据计算结果分析sic衬底材料对二维原子晶格材料的电子结构的影响及调控效应

研究意义： 很多二维原子晶体材料由于其独特的结构和性质以及在科学中的研究价值得到很多关注，它与碳化硅结合所形成的异质结构可能具有独特的电子结构特性，具有潜在的应用前景。

2. 研究内容和预期目标

研究内容：首先从元素周期表上选择元素，例如铋（Bi）、锑（Sb）等元素，建立基于二维蜂窝状六角晶格的原子结构模型，利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究所建立的二维原子晶格材料的结构稳定性、电子结构、能带结构等信息，得出本征二维原子晶格的基本性质；建立SiC(0001)衬底的原子结构模型，计算SiC衬底的电子结构及能带结构信息，得出SiC(0001)衬底材料的电子结构性质信息；建立二维原子结构/SiC异质结的原子结构模型，用第一性原理方法计算所构建的二维原子晶格/SiC异质结的结构信息，确定二维原子晶格和SiC衬底之间的间距及结合类型，然后，计算二维原子晶格/SiC异质结的电子结构特性，根据计算结果分析SiC衬底材料对二维原子晶格电子结构的影响及调控效应。

预期目标：根据计算结果分析SiC衬底材料对二维原子晶格电子结构的影响及调控效应。

3. 研究的方法与步骤

研究方法：利用vesta软件和material studio软件建立相应的二维原子晶格结构模型；利用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究相应二维原子晶格与碳化硅异质结电子结构性质；根据计算结果，进行数据分析处理等。

研究步骤：

1) 根据老师给出的论文及相关资料（相关的文献书籍、图书馆数据库查阅的相关论文资料），了解论文课题的背景，研究的课题在应用方面的进展以及对未来其他领域的影响。构建相应元素的二维原子晶格结构模型，建立碳化硅的原子结构模型，以及二维原子晶格/sic异质结原子结构模型。

4. 参考文献

[1] zhou m, ming w, zheng l, wang z f, li p, and liu f, epitaxial growth of large-gap quantum spin hall insulator on semiconductor surface [j]. proceedings of the national academy of sciences, 2014, 111: 14378-14381.

[2] xu y, tang p z, and zhang s c, large-gap quantum spin hall states in decorated stanene grown on a substrate [j]. physical review b, 2015, 92: 081112.

[3] wang h, pi s t, kim j, wang z, fu h h, and wu r q, possibility of realizing quantum spin hall effect at room temperature in stanene/al2o3(0001) [j]. physical review b, 2016, 94: 035112.

5. 计划与进度安排

（1）2022-12-06～2022-03-01学生复习量子力学和固体物理等基础课程，学习密度泛函理论的基本知识；

（2）2022-03-02～2022-03-10调研有关二维原子晶格、sic衬底及有关异质结材料体系的电子结构计算的文献资料，提出研究方案，完成开题报告，教师完成开题报告的审核。

(3) 2022-03-11～2022-04-10学习晶体模型的建立方法；学习第一性原理计算软件包vasp的使用方法；用第一性原理方法计算二维原子晶格材料和sic衬底材料的电子结构性质，包括，晶格结构、能带结构等。