掺杂单层黑磷和六方磷化硼的第一性原理研究

摘要

近年来，随着纳米技术的不断发展，对半导体材料的电子性质提出了更高的要求。二维半导体材料的带隙、磁性、载流子迁移率等直接影响其在电子器件领域的应用。其中，单层黑磷，以其各向异性、温和的直接带隙、高载流子迁移率等特性，在电子器件的制备上具有很大的应用潜力。而在实际应用中，通常需要对材料进行改性处理，从而扩大材料的应用范围和优化其性能。掺杂是一种调节二维材料电子性质和磁性的有效方法，通过掺杂可以使材料产生特定的磁性等，使其可能应用在自旋电子器件中。因此，研究原子掺杂后单层黑磷性质的变化对其在电子器件领域的应用具有重要意义。
　　本文基于第一性原理密度泛函理论，借助VASP软件包来研究不同浓度Si,S,B掺杂单层黑磷体系，主要讨论了不同浓度的Si,S,B掺杂，尤其是50％浓度的B掺杂，对单层黑磷体系的结构稳定性、能带结构、分态密度、电学性质和磁性的影响。结果表明：
　　第一，Si,S,B掺杂单层黑磷后，体系的几何结构发生了不同程度的形变。其中Si掺杂体系形变量最小，B掺杂体系形变量最大。且掺杂后，体系的带隙和磁性也发生了变化。带隙值的变化范围从0.26eV到0.93eV。本征单层黑磷不具有磁性，B掺杂体系也不具有磁性，而对于S掺杂体系，随着掺杂浓度的增加，体系的总磁矩从1μB减小为0μB。
　　第二，B原子掺杂浓度越高，B原子向层间凹陷距离越大。而当50％浓度的B原子以Mixed的形式掺杂单层黑磷时，体系由褶皱层状结构变为平面六元环结构，形成了新型的六方磷化硼（h-BP）结构。
　　第三，新型单层h-BP化合物虽然没有在实验上合成出，但已有相关的理论计算对其稳定性进行了一定的研究。我们进一步对单层h-BP的热稳定性、化学稳定性、电子性质、力学性质等进行研究，并同常见的二维材料单层石墨烯、单层六方氮化硼和单层黑磷进行比较，且从电荷密度角度解释石墨烯、六方氮化硼、h-BP导电性不同的原因。通过计算，我们发现新型h-BP化合物结构稳定、耐高温、化学稳定，且具有合适的直接带隙、较大的载流子迁移率，是一种性能十分优异的二维半导体材料。
　　总之，原子掺杂会改变单层黑磷的几何结构、电子性质和磁性等，而不同浓度，不同原子的掺杂对材料的改变大不相同。当B原子以50％的高浓度掺杂时，体系的电子性质变化较大，得出了新型h-BP化合物。对于新型h-BP化合物的稳定性，电子性质，力学性质进行研究，结果发现该化合物有着其他已知二维材料所不具备的优异性质，在半导体电子器件的应用上具有较大的潜力。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2二维层状材料的研究现状

1.3黑磷的概述

1.4 本论文的研究目的和内容

2 理论研究方法

2.1 第一性原理简介

2.2 本论文所采用计算软件包

2.3 声子谱和分子动力学(MD)模拟概述

2.4 能带理论和态密度的概述

3 硅、硫、硼掺杂单层黑磷电子结构及性质研究

3.1 本征单层黑磷材料的结构及电子性质

3.2 P1-xYx掺杂体系的几何结构

3.3 P1-xYx体系的电子特性

3.4 P0.5B0.5体系的研究

3.5 小结

4 单层六方磷化硼材料的理论研究

4.1 计算模型和计算方法

4.2 结果与讨论

4.3 小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

A.攻读硕士期间的科研成果: