基于第VA族元素形成的二維材料的結(jié)構(gòu)和性能研究.pdf

1、自石墨烯(Graphene)被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，原子厚度的二維材料以其獨(dú)特的性質(zhì)得到廣泛的關(guān)注。如今已發(fā)現(xiàn)的二維層狀納米材料除了石墨烯還有硅烯、鍺烯、h-BN、MoS2和WS2、PbI和MoCl、MnO2和WoO3、Mg6Al2(OH)16等。同時(shí)一些其他二維層狀材料也被相繼報(bào)道，例如過(guò)渡金屬碳/氮化合物(MXenes)、硼烯(Borophene)以及磷烯(Phosphorene)等。其中，二維磷烯的出現(xiàn)極大地啟發(fā)了第VA族二維材料體系的研究探

2、索。本論文著眼于VA族元素形成的二維材料體系，采用基于密度泛函理論的第一性原理研究方法，對(duì)VA族元素形成的磷烯以及原子厚度的二元VA－VA族半導(dǎo)體化合物的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行系統(tǒng)研究。
　　本論文的研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下：
　　1.利用第一性原理密度泛函理論計(jì)算，研究了IIIA、IVA、VA、VIA族非金屬原子(如B,C,N,O等)替代摻雜的二維磷烯的幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和熱力學(xué)穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)摻雜體系存在反常的摻雜效應(yīng)，即摻雜體系的電

3、子屬性可以被摻雜原子的價(jià)電子數(shù)強(qiáng)烈地調(diào)制：奇數(shù)價(jià)電子的摻雜原子(如B,N等IIIA、VA族元素的原子)，使得摻雜體系保持半導(dǎo)體屬性；偶數(shù)價(jià)電子的摻雜原子(如C,O等IVA、VIA族元素的原子)，使得摻雜體系具有金屬屬性。隨著摻雜原子最外層電子數(shù)的奇偶變化，摻雜體系的帶隙呈現(xiàn)半導(dǎo)體－金屬－半導(dǎo)體－金屬的振蕩，這種反常的奇－偶振蕩效應(yīng)歸因于摻雜原子的最外層電子對(duì)磷烯中特殊的孤對(duì)電子的調(diào)制。研究結(jié)果為調(diào)制磷烯基電子器件及光電子器件的輸運(yùn)性能提

4、供了有效的途徑。
　　2.研究了過(guò)渡金屬(如Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni等)摻雜的二維黑磷磷烯以及藍(lán)磷磷烯的稀磁半導(dǎo)體以及半金屬屬性。研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于黑磷磷烯摻雜來(lái)說(shuō)，Ti,V,Cr,Mn,Fe以及Ni摻雜體系呈現(xiàn)稀磁半導(dǎo)體屬性，而Sc和Co摻雜體系呈現(xiàn)非金屬性；而對(duì)于藍(lán)磷磷烯摻雜體系來(lái)說(shuō)，V,Cr,Mn及Fe摻雜體系呈現(xiàn)稀磁半導(dǎo)體屬性，Ni摻雜體系呈現(xiàn)半金屬屬性，而Sc和Co摻雜體系呈現(xiàn)非金屬屬性。這些新奇的稀磁半

5、導(dǎo)體和半金屬屬性源于過(guò)渡金屬3d電子與磷烯的孤對(duì)電子的相互作用。
　　3.尋找新奇的二維半導(dǎo)體材料對(duì)于發(fā)展下一代低維電子器件具有重要意義。利用第一性原理計(jì)算，預(yù)測(cè)了一系列二維VA－VA族原子厚度的半導(dǎo)體化合物，如α-(β-) PN,AsN,SbN,AsP,SbP,SbAs等。通過(guò)聲子譜和室溫分子動(dòng)力學(xué)的計(jì)算，驗(yàn)證了這些半導(dǎo)體化合物具有室溫穩(wěn)定性；而具有層狀塊體結(jié)構(gòu)的AsP和SbAs，其單層的穩(wěn)定性最好。能帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算表明，α結(jié)構(gòu)的

6、半導(dǎo)體化合物具有直接帶隙，而β結(jié)構(gòu)的具有間接帶隙；且大多數(shù)VA－VA族單層半導(dǎo)體化合物的帶隙在可見(jiàn)光范圍(1.59~3.26eV)，表明其是太陽(yáng)能電池的候選材料。由于AsP特殊的皺褶結(jié)構(gòu)，其電子結(jié)構(gòu)對(duì)拉伸/壓縮應(yīng)變非常敏感，帶隙隨著拉伸/壓縮減小。SbN/Phosphorene異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)幾乎是單層SbN和黑磷磷烯的疊加，導(dǎo)致其帶隙0.91eV和黑磷磷烯非常接近，可用于光電探測(cè)器等電子器件。研究成果不僅拓展了VA－VA族層狀半導(dǎo)體化

7、合物的視野，而且為VA－VA族二維材料在光電子和納米電子半導(dǎo)體器件上的應(yīng)用提供了史無(wú)前例的途徑。
　　4.目前，二維材料的垂直組裝被視為設(shè)計(jì)電子器件和光電器件的令人激動(dòng)的方法。利用第一性原理研究了GeSe/Phosphorene范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)和電子屬性。研究結(jié)果表明，這種異質(zhì)結(jié)為II-型異質(zhì)結(jié)，且應(yīng)變可以導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)由間接帶隙到直接帶隙、由金屬到半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變。另外，產(chǎn)生了自發(fā)的電子—空穴分離，預(yù)示著此異質(zhì)結(jié)在光電子器件應(yīng)用方面