二维X-AlN(X=C,Si,TC)半导体的可见光调控与反常热输运

摘要

在二维材料中,平面六方氮化铝(AlN)对开发电子器件至关重要.但宽带隙限制了其应用,为进一步突破性能瓶颈,本文采用结构搜索的方法找到一种新型孔状皱面的AlN构型,由于其特殊的孔状构型,可在孔中引入C, Si原子与碳三角环(TC)形成新型二维X-AlN (X=C, Si, TC)结构,从而提升其光学与热学性能.结果表明:1)在电子结构方面,由于X-pz电子的局域性,费米面附近产生的孤立能带将带隙值从4.12 eV (AlN)分别降至0.65 (C-AlN)和1.85 eV (Si-AlN),显著改善了AlN的宽带隙. TC-AlN由于碳三角环间C-p_(z)杂化形成离域π键,使能量降低,实现了间接带隙到直接带隙的转变. 2)热输运方面,与AlN, C/Si-AlN相比, TCAlN由于碳三角环间强共价键抑制了垂直面内的声子振动,极大地增强了热导率.此外,在X-AlN中施加双轴应变,热导率出现先上升后下降的异常变化趋势,这是源于随应变增强的N—N键带来的低非谐性与声子模软化降低群速度之间的竞争.本工作给出了调控二维AlN性能的新路径,为提高半导体电子、光学与热学性能提供有力指导.