摻雜單層黑磷和六方磷化硼的第一性原理研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著納米技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)半導(dǎo)體材料的電子性質(zhì)提出了更高的要求。二維半導(dǎo)體材料的帶隙、磁性、載流子遷移率等直接影響其在電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用。其中，單層黑磷，以其各向異性、溫和的直接帶隙、高載流子遷移率等特性，在電子器件的制備上具有很大的應(yīng)用潛力。而在實(shí)際應(yīng)用中，通常需要對(duì)材料進(jìn)行改性處理，從而擴(kuò)大材料的應(yīng)用范圍和優(yōu)化其性能。摻雜是一種調(diào)節(jié)二維材料電子性質(zhì)和磁性的有效方法，通過摻雜可以使材料產(chǎn)生特定的磁性等，使其可能應(yīng)用在自旋電子器

2、件中。因此，研究原子摻雜后單層黑磷性質(zhì)的變化對(duì)其在電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。
　　本文基于第一性原理密度泛函理論，借助VASP軟件包來(lái)研究不同濃度Si,S,B摻雜單層黑磷體系，主要討論了不同濃度的Si,S,B摻雜，尤其是50％濃度的B摻雜，對(duì)單層黑磷體系的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、能帶結(jié)構(gòu)、分態(tài)密度、電學(xué)性質(zhì)和磁性的影響。結(jié)果表明：
　　第一，Si,S,B摻雜單層黑磷后，體系的幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生了不同程度的形變。其中Si摻雜體系形變量最小

3、，B摻雜體系形變量最大。且摻雜后，體系的帶隙和磁性也發(fā)生了變化。帶隙值的變化范圍從0.26eV到0.93eV。本征單層黑磷不具有磁性，B摻雜體系也不具有磁性，而對(duì)于S摻雜體系，隨著摻雜濃度的增加，體系的總磁矩從1μB減小為0μB。
　　第二，B原子摻雜濃度越高，B原子向?qū)娱g凹陷距離越大。而當(dāng)50％濃度的B原子以Mixed的形式摻雜單層黑磷時(shí)，體系由褶皺層狀結(jié)構(gòu)變?yōu)槠矫媪h(huán)結(jié)構(gòu)，形成了新型的六方磷化硼（h-BP）結(jié)構(gòu)。
　　

4、第三，新型單層h-BP化合物雖然沒有在實(shí)驗(yàn)上合成出，但已有相關(guān)的理論計(jì)算對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行了一定的研究。我們進(jìn)一步對(duì)單層h-BP的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、電子性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)等進(jìn)行研究，并同常見的二維材料單層石墨烯、單層六方氮化硼和單層黑磷進(jìn)行比較，且從電荷密度角度解釋石墨烯、六方氮化硼、h-BP導(dǎo)電性不同的原因。通過計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)新型h-BP化合物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、耐高溫、化學(xué)穩(wěn)定，且具有合適的直接帶隙、較大的載流子遷移率，是一種性能十分優(yōu)異的二維半