【摘 要】
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硼烯被成功制备后得到人们的广泛关注,它的力学性能集坚、柔、韧于一体,是目前最轻最薄的金属性材料,在柔性电子器件、光控器件、电池、储氢和散热等方面具有很好的应用前景。但硼元素具有缺电子性,使得实验上制备大面积单层硼烯具有挑战性。由于金属原子可以提供电子且改变了硼烯的电子分布和成键强弱等,基于硼烯的二维硼化物在稳定性、力学性能和电学性能方面优于原始硼烯结构。同时,维度变化是改变材料物性的有效且易实现的
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硼烯被成功制备后得到人们的广泛关注,它的力学性能集坚、柔、韧于一体,是目前最轻最薄的金属性材料,在柔性电子器件、光控器件、电池、储氢和散热等方面具有很好的应用前景。但硼元素具有缺电子性,使得实验上制备大面积单层硼烯具有挑战性。由于金属原子可以提供电子且改变了硼烯的电子分布和成键强弱等,基于硼烯的二维硼化物在稳定性、力学性能和电学性能方面优于原始硼烯结构。同时,维度变化是改变材料物性的有效且易实现的调控手段。结合基于第一性原理的密度泛函理论和电子声子玻尔兹曼运输方法,本文研究了维度效应对硼化物输运性质的影响,发现维度变化能有效调控相关硼化物的输运性能,主要研究内容如下:第一,基于密度泛函理论结合求解声子玻尔兹曼输运方程,研究了体相Ti B2（bulk-Ti B2）及其二维对应物的晶格动力学和热输运特性。研究发现bulk-Ti B2的泊松比为正,而单层Ti B2（mono-Ti B2）的泊松比为负。并且发现mono-Ti B2的室温热导率仅为bulk-Ti B2的六分之一,说明维度降低会导致面内晶格热导率降低,这与Mo S2、Mo Se2、WSe2和Sn Se的趋势相反。这归因于bulk-Ti B2中更高的德拜温度和更强的结合强度。与其二维对应物相比,bulk-Ti B2具有更高的声子群速度和更弱的非谐效应。此外,mono-Ti2B2的室温晶格热导率是mono-Ti B2的两倍,这是由水平镜面对称引起的三声子选择定则导致的。第二,比较研究了体相和二维BAs的热电性质。最近研究表明考虑四声子散射后维度降低使得室温晶格热导率从体相BAs的1260W/m K减少到二维BAs的34W/m K,因此在热电方面具有应用前景,从而分析了维度降低对BAs的功率因子的影响。计算发现二维BAs的电子和空穴迁移率远大于体相,分别为μe=2990cm~2/Vs和μh=4628cm~2/Vs。由于体相BAs的能带在价态顶处有较高的能带简并,使得具有更高的电导率,从而体相BAs的最大功率因子大于二维结构。但是,p型二维BAs的最大功率因子为5.7m W/K~2m,仍高于传统热电材料Bi2Te3（4.5m W/K~2m）和Pb Te（2.0m W/K~2m）。第三,研究了kagome结构的二维XB6（X=Be、Mg、Ca）的超导性质。计算得到Be B6、Mg B6和Ca B6的电声耦合强度分别为0.87、0.41和1.23,Ca B6的费米面最复杂,费米嵌套函数最大,从而电声耦合强度最大。基于麦克米兰公式得到Be B6、Mg B6和Ca B6的超导温度分别为18.6K、3.0K和37.9K。而且,通过求解各向异性Eliashberg方程得到更准确的超导温度,二维Be B6和Ca B6的超导温度分别为27.1K和45.9K,此外Be B6的超导带隙还表现出两带隙的特征。
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