二維過渡金屬硫化物及其異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)調(diào)控的第一性原理研究.pdf

1、自從石墨烯被發(fā)現(xiàn)后，二維材料由于其獨特的力、熱、光、電性質(zhì)以及在光電子器件、傳感器、場效應管、和生物催化等領域潛在的應用而受到了人們的廣泛關注。與石墨烯的零帶隙不同，過渡金屬硫化物(TMDs)由于適中的帶隙寬度和新奇的電子特性而成為人們研究的熱點。然而TMDs之所以成為研究的熱點不僅由于其本征材料性質(zhì)更重要的是其可調(diào)控的電子性質(zhì)。由于各向異性和獨特的晶格結(jié)構(gòu)，可以通過應變、高壓、外加電場、吸附和摻雜等方式對二維TMDs的電子性質(zhì)進行調(diào)控

2、。與其他調(diào)控方式相比，外加電場不會對二維材料本身造成損壞，并且外加電場是可逆的，而迄今為止關于外加電場調(diào)控二維TMDs電子性質(zhì)的報道很少，這方面的工作值得進一步開展。因此，本文采用基于密度泛函理論的第一性原理方法系統(tǒng)研究了二維過渡金屬硫化物及其異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控，得到了一些有意義的理論結(jié)果。期望這些理論結(jié)果能解釋一些實驗現(xiàn)象和物理本質(zhì)，為過渡金屬硫化物材料電子器件的制備、設計和調(diào)控等相關實驗研究提供理論指導。
　　1.外加電場對

3、多層TMDs電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控。計算結(jié)果表明外電場可以有效調(diào)控多層TMDs的帶隙寬度。帶隙寬度隨著外電場的增加線性減小，最終帶隙閉合由半導體轉(zhuǎn)變?yōu)榱私饘?，半導體-金屬轉(zhuǎn)變的臨界電場取決于TMDs薄膜的層數(shù)。帶隙寬度隨外電場的變化快慢用巨斯塔克效應系數(shù)來表征，巨斯塔克效應系數(shù)即為變化曲線的斜率。巨斯塔克效應系數(shù)與體系的層數(shù)成正比，我們預測其表達式為(N-1)c/2，N為體系的層數(shù)，c為層間距。
　　2外加電場對不同堆垛構(gòu)型的雙層TMDs

4、電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控。我們發(fā)現(xiàn)在雙層TMDs的五種堆垛構(gòu)型中，AB構(gòu)型最穩(wěn)定，AA'構(gòu)型次之。對AB構(gòu)型施加正電場以及對AA'構(gòu)型施加正負兩個方向的電場后，兩種構(gòu)型的帶隙寬度均隨著電場的增加而線性減小，而對AB構(gòu)型施加負電場后其帶隙寬度先增加到最大值然后開始減小，正負電場最終使AB和AA'構(gòu)型由半導體轉(zhuǎn)變?yōu)榱私饘?。正負電場對AB構(gòu)型帶隙的調(diào)控有不同的效應，其原因在于AB構(gòu)型的兩個單層之間存在著由于自發(fā)極化而產(chǎn)生的內(nèi)建電場，而正負電場對AA'構(gòu)

5、型帶隙的調(diào)控卻完全相同。
　　3.外加電場對基于TMDs的異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控。結(jié)果表明基于TMDs的范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)的能帶為Ⅱ類能帶組合方式，導帶底和價帶頂為組成異質(zhì)結(jié)的不同單層的貢獻。Ⅱ類能帶組合的異質(zhì)結(jié)能夠促進電子-空穴對的分離，增加載流子壽命，是構(gòu)筑太陽能電池和光電子器件的理想材料。其帶隙寬度隨著外電場的增加線性減小，最終異質(zhì)結(jié)由半導體轉(zhuǎn)變?yōu)榱私饘?。異質(zhì)結(jié)中存在的自發(fā)極化現(xiàn)象使得帶隙寬度對正負電場的響應不同。組成異質(zhì)結(jié)的不

6、同單層的導帶底和價帶頂能夠被外電場有效調(diào)控，并隨著外電場線性變化。對異質(zhì)結(jié)施加負的外加電場時，異質(zhì)結(jié)可在typeⅠ和typeⅡ之間轉(zhuǎn)換，這表明外加電場能夠有效調(diào)控異質(zhì)結(jié)的類型，對光電子器件的實際應用具有重要意義。
　　4.探討了了外加電場對graphene/WS2異質(zhì)結(jié)肖特基勢壘的調(diào)控。我們發(fā)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)中的單層WS2和graphene間的相互作用為微弱的范德瓦耳斯作用，組成異質(zhì)結(jié)的graphene和單層WS2很大程度上保留了各自獨立

7、的電子結(jié)構(gòu)。單層WS2和graphene形成異質(zhì)結(jié)后，在兩者界面處為n型肖特基接觸，并導致graphene層為p型摻雜。對異質(zhì)結(jié)施加正的外電場后，n型肖特基接觸在外電場為1.35 V/nm時轉(zhuǎn)變?yōu)榱藀型肖特基接觸，并進一步在3 V/nm時轉(zhuǎn)變?yōu)榱藲W姆接觸。當負的外電場小于-0.55 V/nm時，異質(zhì)結(jié)依然為n型肖特基接觸，當負的外電場超過-0.55 V/nm后在異質(zhì)結(jié)中再次形成了歐姆接觸。因此，外電場可以有效調(diào)控graphene/WS2