功能元素掺杂调控2H-WSe2及其单层电、磁性质的第一性原理研究

摘要

层状过渡金属硫属化物以其独特的层状结构、较大的带隙宽度、优异的物理化学性质成为了最近非常热门的材料。而WSe2作为层状过渡金属硫属化物的典型代表，不仅具有良好的摩擦学性能，还表现出优秀的半导体特性，尤其是当其剥离成单层时发生间接带隙向直接带隙的转变，使之在电学、光学、储能和催化等领域有巨大的应用前景。更重要的是，在硅基器件的发展已然趋于极限的现在，单层WSe2以其较大的直接电子带隙，表面没有悬挂键，载流子迁移率高以及没有短沟道效应成为了新一代半导体材料的研究焦点。化学掺杂被认为是最简单有效的调控电子结构和提高载流子迁移率的方法之一，该方法在改良相似材料MoS2中成果显著。掺杂不仅可以改变材料的载流子，还能够推动材料由半导体向金属、半金属转变。实际上，掺杂在改进2H-WSe2和单层WSe2的电磁学性质中已初见成效，但对过渡金属和非金属掺杂的机理仍需要深入研究。尤其是近年来阴阳离子共掺的方法开始盛行，共掺WSe2的课题也亟待解决。
　　本研究利用密度泛函理论计算方法来系统研究过渡金属和非金属掺杂对2H-WSe2及其单层WSe2的改良机理，进而选取了稳定性最高的金属和非金属共掺来调控单层WSe2的电子结构和磁学性质。一方面计算研究了第五副族金属（V，Nb，Ta）、3d过渡金属（Sc，Ti， Cr，Mn）和非金属（C，N，O，F）对2H-WSe2的结构和电磁学性质的影响。掺杂后2H-WSe2晶胞几乎未发生变化。V，Nb，Ta，Sc，Ti，N取代掺杂和F间隙掺杂都是p型掺杂，且体系转变为金属；Cr和O掺杂并未改变WSe2的半导体本质，但使得其带隙得到明显调节；而掺C在带隙产生杂质能级，可作为电子跃迁的媒介；Mn原子掺杂引入0.96μB，使体系具有半金属的特性。另一方面计算研究第五副族金属（V，Nb，Ta）和卤素原子（F，Cl，Br，I）调控单层WSe2的结构和电磁学性质，并在此基础上研究了共掺F，Nb对单层WSe2在结构和电磁学性质的调控。掺杂后体系结构均有不同程度的轻微畸变，共掺结构略大。电学和磁学性能分析表明，F和I掺杂在体系中分别引入了0.90μB和0.88μB的磁矩，使体系表现出半金属行为。Cl，Br和V，Nb，Ta掺杂分别为n型和p型掺杂且体系都表现出金属行为。有趣的是F，Nb共掺后，自旋向上和自旋向下的能带和态密度完全重叠，共掺体系没有磁性，这是因为F原子提供的多余电子和Nb原子引入的空穴相互抵消，体系仍保持直接带隙半导体性质，但是F和Nb共掺的协同作用使得体系的带隙得到明显调节。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 WSe2的结构特征

1.3 WSe2的制备方法

1.4 WSe2的性质介绍

1.5 WSe2的应用和研究现状

1.6 本论文选题意义与研究内容

第二章 第一性原理计算理论

2.1 引言

2.2 Hatree-Fock方程

2.3 密度泛函理论

2.4 交换相关能量泛函

2.5 赝势

2.6 第一性原理的应用-Castep软件包简介

第三章 过渡金属和非金属掺杂2H-WSe2的电子结构和磁学性质研究

3.1 引言

3.2 计算方法

3.3 本征状态下的2H-WSe2原胞

3.4 V，Nb和Ta掺杂2H-WSe2

3.5 Sc、Ti、Cr、Mn掺杂2H-WSe2

3.6 非金属原子C，N，O，F（阴离子）掺杂2H-WSe2

第四章 金属与非金属掺杂单层WSe2和F-Nb共掺单层WSe2电子结构和磁学性质研究

4.1 引言

4.2 WSe2单层原胞的性质计算

4.3 V，Nb，Ta阳离子掺杂单层WSe2

4.4 F，Cl，Br，I阴离子掺杂单层WSe2

4.5 F-Nb共掺单层WSe2

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的学术研究成果