应力作用下单层黑磷与边缘化学修饰作用下C3N输运性质的研究

摘要

随着纳米电子学与分子电子学的飞速发展，由纳米电子器件组成的纳米级电路也向着电路体积更小、集成度更高、效率更高的方向发展，所以对二维纳米材料的性质提出了更高的要求。由于传统的硅材料并不能突破“物理极限”，硅材料已经不跟满足电子器件更高的要求。2004年石墨烯被成功制备出来，以其独特的物理、化学性质引起了凝聚态物理和计算化学领域的高度关注，石墨烯也一度被认为是可以替代传统硅材料在未来成为制备纳米器件的首选材料。但是由于本征石墨烯的带隙为零，极大的限制了石墨烯在电子器件制备方面的应用。近几年，更多的二维纳米材料被发现，并且被成功制备出来，如黑磷、C3N等。本征黑磷有一个约为1.52eV的直接带隙，弥补了石墨烯在纳米器件制备方面的不足，但是黑磷在空气中或浸泡在水中会被氧化，在光的作用下会被降解。本征C3N有一个约为0.39eV的直接带隙，并且C3N有比较好的稳定性。本文研究了单层黑磷和单层C3N的能带结构和电子输运性质。 首先，我们从两个方面研究了弹道电子的古斯-汉欣位移（GH位移）效应，(i)弹道电子在一个阶梯状不均匀的应力下进行反射，(ii)弹道电子在一个正向应力区域和两个无应力区域组成的单层黑磷结（或者两个无应力区域和一个负向应力区域组成的单程黑磷结）中发生透射现象。弹道电子在无应力区域和正向应力区域的交界面（或负向应力区域和无应力区域的交界面）会发生一个类似于光学反射的反射。施加应力的大小和应力方向不同时，发生全反射的临界角也有所不同。当弹道电子穿过无应力区域和正向应力区域组成的黑磷结时，我们发现如果正向应力超过某一个临界值时，临界角会降为0°。对于由两个无应力区域和一个正向应力区域（或由两个无应力区域和一个负向应力区域）组成的黑磷结来说，我们发现GH位移在中间区域会发生共振现象，GH位移共振值的正负符号可以通过入射角、入射能以及应力大小进行控制。 然后，我们选取了一些过渡金属元素作为边缘饱和原子，系统了研究了这些边缘饱和原子对C3N C-C边锯齿形纳米带(CCA)能带结构的影响。首先我们对不同纳米带的结合能进行了计算，证明了这些纳米带是稳定存在的。其次，我们运用第一性原理计算的方法基于ATK软件预测了使用氢原子(H)、硼原子(B)、氧原子(O)和氟原子(F)对C3N-CCA纳米带进行饱和后新的纳米带表现为半导体性质，其中硼原子饱和后的新纳米带带隙为直接带隙，其他三种原子饱和后带隙为间接带隙。使用硅原子(Si)、磷原子(P)和硫原子(S)进行饱和后新的纳米带表现为金属性，其中硅原子饱和的新纳米带出现了新的最高价带(HVB)，硫原子饱和后的新纳米带出现了新的最低导带(LCB)。最后我们研究了由半导体性质的纳米带和本征C3N纳米带构建的器件的输运性质，其IV曲线表现出了明显的负微分电阻效应，其中由C3N-O纳米带和本征C3N纳米带构建器件的最大电流达到了40μA。 总之，我们系统的研究了应力作用下单层黑磷的古斯-汉欣位移和边缘化学修饰对C3N纳米带电子结构和输运性质的影响。我们的研究结果为黑磷、C3N在电子器件制备方面的应用提供了理论基础。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1纳米材料与纳米器件研究背景

1．2石墨烯、黑磷、C3N等二维材料的研究进展

1．2．1石墨烯及其古斯-汉欣位移研究综述

1．2．2黑磷、C3N研究综述

1．3理论研究方法

1．3．1紧束缚近似模型

1．3．2散射矩阵方法与格林函数

1．3．3第一性原理计算

1．4本文研究内容

第二章应力作用下单层黑磷的古斯-汉欣位移

2．1引言

2．2模型和方法

2．3结果与讨论

2．4小结

第三章边缘化学修饰对C3N锯齿形纳米带输运性质的影响

3．1引言

3．2结构与计算方法

3．3结果与讨论

3．4小结

结论

参考文献

致谢

附录