應(yīng)力和摻雜條件下WSe2性能的研究.pdf

1、近年來，過渡金屬硫族化合物因具有與石墨烯類似的層狀結(jié)構(gòu)且屬于天然的半導(dǎo)體材料而受到半導(dǎo)體材料與器件領(lǐng)域?qū)W者的重視，成為相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本文基于密度泛函的第一性原理，重點(diǎn)針對(duì)過渡金屬硫族化合物中的杰出代表WSe2進(jìn)行研究。計(jì)算了WSe2在外應(yīng)力、不同摻雜以及和其它材料固溶條件下的穩(wěn)定性和光電性質(zhì)，所得結(jié)論如下：
　　1.外應(yīng)力對(duì)WSe2的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)具有十分重要的影響。研究發(fā)現(xiàn)：在外應(yīng)力作用下WSe2的體積、

2、晶格常數(shù)a和c都隨外應(yīng)力的增加而減小，計(jì)算對(duì)比說明WSe2沿c柱方向更容易被壓縮。隨著外應(yīng)力的增加該物質(zhì)的禁帶寬度逐漸減小，最終在35GPa時(shí)由半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變成了金屬。當(dāng)外應(yīng)力由0GPa增加到60GPa時(shí)，WSe2的靜態(tài)折射率由原來的3.8增加到了4.5，靜態(tài)消光系數(shù)始終為零，靜態(tài)介電函數(shù)的實(shí)部由14.5增加到了20，虛部始終為零。由WSe2的吸收譜我們發(fā)現(xiàn)從可見光到紫外光區(qū)WSe2都表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸收能力，在外壓的作用下它的吸收能力進(jìn)一步增

3、強(qiáng)并且吸收范圍向深紫外區(qū)移動(dòng)。
　　2.由Mo、Se摻雜2H-WSe2體系(RMo-WSe2、IMo-WSe2和RS-WSe2)發(fā)現(xiàn)在三種摻雜體系中RMo-WSe2和RS-WSe2的c參數(shù)均變大了IMo-WSe2的c參數(shù)卻變小了，這是由于IMo-WSe2體系中Mo原子與鄰近的Se原子成鍵從而拉近了層間距。研究還發(fā)現(xiàn)在2H結(jié)構(gòu)中，夾層摻雜體系的形成能最高體系穩(wěn)定性最差，雖然Mo與W原子差距很小但是摻雜方式的不同體系的穩(wěn)定性差距很大，

4、說明層間的范德瓦耳斯力不允許外來原子的侵入。對(duì)電子結(jié)構(gòu)的研究我們發(fā)現(xiàn)，RMo-WSe2和RS-WSe2體系的帶隙都隨著雜質(zhì)原子的介入變寬了，而只有IMo-WSe2體系的禁帶寬度減小到了0.071eV，有向金屬性轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。通過(110)面上總電荷密度圖的分析可知Mo原子與Se原子電子軌道雜化形成共價(jià)鍵，層內(nèi)的部分電子局域到夾層中使得材料有從半導(dǎo)體向金屬轉(zhuǎn)變的趨勢(shì)。
　　3.我們用S原子和Se原子之間替換的方式，建立了固溶體模型WS

5、2(1-x)Se2x(x=1/3,1/2,2/3)。通過對(duì)材料的晶體結(jié)構(gòu)的分析可知WS2(1-x)Se2x中Se作為溶質(zhì)原子的加入WS2中后引起晶格的畸變程度較小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較高，容易形成固溶度較大的連續(xù)固溶體WS2(1-x)Se2x(x=0~1)。通過對(duì)幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化之后的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可知，隨著溶質(zhì)原子Se組分比的提高，晶格常數(shù)a逐漸增大，導(dǎo)致晶胞體積也隨Se組分比的增加而增大。對(duì)鍵長(zhǎng)的調(diào)查發(fā)現(xiàn)鍵長(zhǎng)dW-S小于dW-Se，由夾層原子

6、間距可知：dS-S