由於近代的固態能帶理論發展的相當成功，配合高速的電腦運算功能，已被證實為研究材料微觀性質之利器。舉例而言，在過去的計算材料研究中，針對了單層石墨平面以及碳奈米管，在各項點缺陷的實驗中，發現非常特殊之磁性變化。在本文中，我們採用了氮化硼分子結構，來取代平面和奈米管結構中的碳原子；透過DFT理論以及GGA近似方法的計算，觀察在基態中，空洞點缺陷以及原子取代點缺陷，造成原子位置以及能帶結構的影響與改變，並計算結構形變過程中，產生磁矩之大小。另一方面，我們改變奈米管的長度，模擬軸向拉力造成形變後，研究氮化硼奈米管的磁矩變化。我們發現：點缺陷對於這些奈米結構，所產生之磁性效應，具有相當的一致性。

The combination of the well-established solid-state theory and high performance computational facility provides a promising methodology to elucidate the microscopic properties of versatile materials.  For instance, the previous calculations indicated that point defects gave rise to unique magnetic properties in both graphene and carbon nanotubes.  In this thesis, we investigate the defect effects on III-V semiconductor, boron-nitride, in the corresponding nano-structures.  Defect-induced atomic geometrical distortion, electric band-structure modification, and magnetic moment around the defect center are calculated by means of a Density Functional Theory (DFT) scheme in which a generalized gradient approximation (GGA)is adopted to approximate the exchange-correlation potential.  On the other hand, we also perform calculations with respect to various lengths of the BN nanotubes to study the uni-axial stress effects on the defect-induced magnetization.

目錄
第一章 奈米管之基本結構與性質簡介                         1
1.1 導論 …………………………………………………………………1
1.2 碳奈米管的類別 ……………………………………………………3
1.3 III-V族光電半導體性質 ……………………………………………6
1.4 磁性半導體 …………………………………………………………7
1.5 氮化硼奈米管 ………………………………………………………8
1.6 奈米結構的點缺陷 …………………………………………………9
第二章 理論背景-密度泛涵理論                             11
2.1 導論…………………………………………………………………11
2.2 密度泛涵理論 (DFT)………………………………………………11
2.3 加入磁矩的DFT計算………………………………………………15
2.4 平面波基底展開與Pseudopotential ………………………………17
2.5 布里淵區……………………………………………………………22
2.6 Hellmann-Feynman Force ……………………………………………25
第三章  石墨平面結構之物理性質                           27
3.1石墨平面之構造與物理性質                              27
3.1.1 石墨平面的空洞點缺陷…………………………………………27
3.1.2 在石墨平面的空洞點缺陷加入氫原子…………………………29
3.2 氮化硼平面之構造與物理性質                            32
3.2.1 氮化硼平面的空洞點缺陷………………………………………32
3.2.2 在氮化硼平面的空洞點缺陷加入氫原子………………………36
第四章 氮化硼奈米管的點缺陷計算                          38
4.1 空洞點缺陷(Vacancy)對於氮化硼奈米管結構的影響          40
4.1.1 (n 0) Zigzag結構 …………………………………………………41
4.1.2 (n n) Armchair結構 ………………………………………………44
4.1.3 (n m) Chiral結構 …………………………………………………47
4.2 原子取代點缺陷(Antisite)對於氮化硼奈米管結構的影響……….50
4.3 氮化硼奈米管伸長後對磁矩的變化………………………………52
4.4 結論…………………………………………………………………55
第五章 未來展望                                          57
第六章 參考文獻                                          58附錄  計算詳細結果                                       61

圖表目錄
圖 1.1  三種碳原子鍵結的固態結構…………………………………1
圖 1.2  sp2混成軌域示意圖……………………………………………2
圖 1.3  碳原子鍵結示意圖……………………………………………3
圖 1.4  石墨平面上定義奈米管捲曲時的兩個方向向量a1、a2……5
圖 1.5  碳奈米管的三種類型…………………………………………5
圖 1.6  氮化硼奈米管的四種缺陷類型………………………………10
圖 2.1  Pseudopotential 概念示意圖…………………………………22
圖 3.1  無缺陷石墨平面以及點缺陷石墨平面結構圖………………28
圖 3.2  點缺陷加入氫原子後石墨平面結構圖………………………30
圖 3.3  點缺陷加入氫原子後石墨平面自旋電子密度分佈圖………31
圖 3.4  點缺陷石墨平面電子能帶與狀態密度圖……………………32
圖 3.5  氮化硼平面點缺陷(VB)結構與電子密度分佈圖……………33
圖 3.6  氮化硼平面點缺陷(VN)結構與電子密度分佈圖……………35
圖 3.7  氮化硼平面點缺陷(VB)加入氫原子結構與電子密度分佈圖36
圖 3.8  氮化硼平面點缺陷(VB)加入氫原子自旋電子密度分佈圖…36
圖 3.9  氮化硼平面點缺陷電子能帶與狀態密度圖…………………39
圖 4.1  (5 0) 氮化硼奈米管點缺陷(VB)結構、電子密度分佈圖……42
圖 4.2  (5 0) 氮化硼奈米管點缺陷(VN)結構、電子密度分佈圖……43
圖 4.1.1  (5 0) 氮化硼奈米管的能帶結構與狀態密度圖……………44
圖 4.3  (5 5) 氮化硼奈米管點缺陷(VB)結構、電子密度分佈圖……45
圖 4.4  (5 5) 氮化硼奈米管點缺陷(VN)結構、電子密度分佈圖……46
圖 4.1.2  (5 5) 氮化硼奈米管的能帶結構與狀態密度圖……………47
圖 4.5  (5 2) 氮化硼奈米管點缺陷(VB)結構、電子密度分佈圖……48
圖 4.6  (5 2) 氮化硼奈米管點缺陷(VN)結構、電子密度分佈圖……49
圖 4.1.3  (5 2) 氮化硼奈米管的能帶結構與狀態密度圖……………49
圖 4.7  原子取代型氮化硼奈米管……………………………………51
圖 4.8  (5 0) 氮化硼奈米管(VB)軸向伸長後自旋電子密度分佈圖53
圖 4.9  (5 0) 氮化硼奈米管(VN)軸向伸長後自旋電子密度分佈圖54

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