幾類二維材料電子結(jié)構(gòu)及輸運(yùn)特性的第一性原理研究.pdf

1、石墨烯的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著二維材料的誕生，自此之后，越來越多的新型二維材料相繼的被發(fā)掘出來。由于它們具有奇特的物理特性和在未來電子器件方面潛在的應(yīng)用價(jià)值而受到人們廣泛研究。盡管如此，從材料的制備到器件化過程中依然存在許多問題，諸如缺陷、摻雜、襯底、分子吸附、電極接觸等，都從不同程度制約著二維材料的實(shí)際應(yīng)用。本文從第一性原理計(jì)算出發(fā)，系統(tǒng)地研究了上述因素對材料本征電子結(jié)構(gòu)及輸運(yùn)特性的影響，希望有助于實(shí)驗(yàn)上設(shè)計(jì)出具有更高性能的電子器件。本文具體的研

2、究內(nèi)容及結(jié)果如下:
　　(1)含晶界石墨烯的電子結(jié)構(gòu)及其輸運(yùn)特性
　　晶界在石墨烯制備過程中是很難避免的，為了理解晶界對石墨烯電子結(jié)構(gòu)及輸運(yùn)特性的影響，我們采用第一性原理手段計(jì)算了四種單一晶界和兩種交叉晶界的電子結(jié)構(gòu)及輸運(yùn)特性。計(jì)算結(jié)果表明，晶界的引入并沒有破壞石墨烯的零帶隙特性。但是晶界引入后，在費(fèi)米能級附近出現(xiàn)了局域的電子態(tài)，這些電子態(tài)有助于電子的傳輸。電子垂直和沿著穿過晶界的輸運(yùn)性質(zhì)存在明顯的差異。與純石墨烯相比，垂直

3、穿過晶界的電流至少降低50％，然而沿著晶界的電流卻下降的不是很多。避開垂直晶界傳輸，電子沿著其它方向傳輸?shù)耐干鋷茁拭黠@提高。電子在交叉晶界中的輸運(yùn)行為與垂直穿過其中單一晶界的輸運(yùn)行為十分相似。
　　(2) MoS2/WS2平面異質(zhì)結(jié)分子吸附及Ⅰ-Ⅴ響應(yīng)
　　近來報(bào)道的基于過渡金屬硫化物的新型平面異質(zhì)結(jié)被認(rèn)為在光電領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。但是它對環(huán)境條件的響應(yīng)并不清楚。這里，我們研究了CO、U2O、NH3、NO、NO2等分子在

4、其表面的吸附。確定了分子最優(yōu)吸附構(gòu)型和吸附強(qiáng)度，這些都與分子與異質(zhì)結(jié)之間電荷轉(zhuǎn)移有關(guān)。除了NH3表現(xiàn)出給電子行為，其它分子都從異質(zhì)結(jié)得到電子。通過分析分子和異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)，給出了分子與異質(zhì)結(jié)之間的電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制。進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)，分子吸附對異質(zhì)結(jié)的輸運(yùn)性質(zhì)影響較大，它改變了異質(zhì)結(jié)的整流行為和通過電流的大小。由于異質(zhì)結(jié)對分子吸附比較敏感，說明它可以作為潛在的分子探測材料。
　　(3) Black arsenic-phosphorus體

5、系電子結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)及載流子遷移率
　　最近，實(shí)驗(yàn)上制備了具有層狀結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料black arsenic-phosphorus(b-AsP)，通過調(diào)控它的化學(xué)組成能夠?qū)崿F(xiàn)對其帶隙的靈活調(diào)控。但是其二維形式的力學(xué)、電學(xué)性能尚不知曉。我們采用第一性原理計(jì)算手段預(yù)測了具有不同As原子濃度的單層b-AsP體系的電子結(jié)構(gòu)，力學(xué)特性及載流子遷移率。計(jì)算結(jié)果表明，單層b-AsP體系的剝離能比純黑磷的要大，并且隨著As原子濃度增加而增大。另外

6、，b-AsP體系的斷裂應(yīng)變與石墨烯、二硫化鉬的十分相近，表明它具有優(yōu)異的力學(xué)性能，在柔性電子器件應(yīng)用方面具有很大潛力。單層b-AsP體系的電子結(jié)構(gòu)對As原子濃度并不敏感，但是可以通過施加應(yīng)力對其調(diào)控。b-AsP體系的載流子遷移率表現(xiàn)出各向異性，與純黑磷相比，其載流子遷移率明顯降低，這可能不利于它在實(shí)際電子器件方面的應(yīng)用。
　　(4) Al2O3襯底對黑磷電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控
　　通過在黑磷(BP)表面沉積Al2O3電介質(zhì)可以有效抑

7、制它在空氣中的氧化。清晰的理解BP和Al2O3電介質(zhì)間的相互作用對實(shí)際電子器件應(yīng)用十分重要。我們通過理論計(jì)算研究了Al末端和羥基化Al2O3(0001)表面對BP電子結(jié)構(gòu)的影響。計(jì)算結(jié)果表明，BP的帶隙在兩個(gè)表面上分別增大了160meV和92 meV。帶隙的增大主要是由于BP與Al2O3表面之間存在電荷轉(zhuǎn)移。然而，帶隙增大的趨勢隨著BP層數(shù)的增加發(fā)生了反轉(zhuǎn)。2-4層BP的價(jià)帶帶階要比單層BP的大0.5-0.9 eV,更利于電子注入勢壘的

8、形成。另外，BP/Al2O3的能帶結(jié)構(gòu)可以通過外加電場對其調(diào)控以適用于實(shí)際的應(yīng)用。
　　(5)邊緣接觸graphene-MoS2體系的電子結(jié)構(gòu)及輸運(yùn)特性
　　最近實(shí)驗(yàn)上制備了以graphene為電極MoS2為溝道的電子器件。我們通過第一性原理計(jì)算手段揭示了graphene和MoS2的接觸構(gòu)型對兩者形成異質(zhì)結(jié)的電學(xué)性質(zhì)的影響。Graphene和MoS2通過邊緣接觸可以形成四種異質(zhì)結(jié)，即Armchair-Armchair、Zig

9、zag-Armchair、Armchair-Zigzag、Zigzag-Zigzag。計(jì)算結(jié)果表明，MoS2在與石墨烯形成平面異質(zhì)結(jié)時(shí)被金屬化了。費(fèi)米能級附近的金屬態(tài)主要分布在兩者的接觸界面區(qū)域，并且這些電子態(tài)主要是由Mo原子的4d軌道和C，S原子的2p軌道組成的。異質(zhì)結(jié)界面處的電荷轉(zhuǎn)移量與兩種材料具體接觸構(gòu)型有關(guān)。通過能帶帶階計(jì)算發(fā)現(xiàn)，graphene-MoS2平面異質(zhì)結(jié)形成的是n型肖特基接觸，不同構(gòu)型的接觸勢壘在0.45～0.75

10、eV范圍內(nèi)，這比MoS2與Sc和Ti金屬形成的勢壘要大。采用雙電極模型得到的電子透射譜帶隙大于MoS2的本征帶隙。選取的兩種代表構(gòu)型電流-電壓曲線存在差異，說明接觸構(gòu)型對 graphene-MoS2平面異質(zhì)結(jié)的輸運(yùn)行為有重要影響。
　　(6)2H1-x1Tx MoS2雜化體系的電子結(jié)構(gòu)及輸運(yùn)特性
　　近來的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了采用雜化的1T-MoS2作為電極能夠有效降低基于2H-MoS2器件的接觸電阻。在這里，我們通過理論計(jì)算預(yù)測了含

11、有不同1T相濃度的雜化電極2H1-x1Tx MoS2的電子結(jié)構(gòu)及它對器件輸運(yùn)性質(zhì)的影響。計(jì)算結(jié)果表明，2H1.x1Tx MoS2體系的穩(wěn)定性隨著1T相濃度的增加而減小。1T-MoS2的引入明顯降低了體系帶隙的大小。雜化體系費(fèi)米能級附近出現(xiàn)的平帶不利于電子的傳輸。含有不同1T-MoS2的雜化體系的電子透射譜存在明顯差異，說明電子的透射幾率不但與1T相濃度有關(guān)，還依賴兩相MoS2在雜化體系中的具體排列。另外，O2分子與雜化體系的結(jié)合能明顯大

12、于它與純2H和1T-MoS2體系的結(jié)合能，并且它們之間存在著電荷轉(zhuǎn)移。為了保護(hù)2H1-x1 Tx MoS2體系不受分子吸附的影響，我們預(yù)測了BN是非常有效的保護(hù)材料。
　　本論文共包含九章內(nèi)容:第一章為綜述，簡單介紹了幾類二維材料的研究進(jìn)展;第二章為理論計(jì)算方法，主要描述了密度泛函理論和非平衡格林函數(shù)方法。第三到第八章為基于以上方法開展的具體工作。第三章研究了晶界對石墨烯電子結(jié)構(gòu)及輸運(yùn)特性的影響;第四章研究了分子吸附對MoS2/W