二维砷烯锑烯衍生物的理论设计和光电性能模拟

摘要

砷烯和锑烯因其具有较宽的带隙使其能够在蓝和深紫外响应的光电器件上有所应用。在对砷烯和锑烯进行广泛且深入研究的同时，其衍生物也得到了许多理论和实验科学家的关注，并取得了很多重要的研究成果。但是其衍生物在一些重要光电领域特别是能源等方面的应用还研究甚少。在本论文中，通过第一性原理计算研究了二维砷烯锑烯衍生物的几何结构和电学性质，及其在场效应管、太阳能电池和热光伏器件等光电领域的应用。具体研究内容包括以下四个方面: 1.有机小分子化学掺杂单层锑烯的理论研究 化学掺杂是一种调控半导体带隙的有效手段之一。为了实现对锑烯电子结构的调控，设计了有机小分子(TTF和TCNQ)化学掺杂到单层锑烯的模型。理论计算结果表明:在单层锑烯表面吸附强电子给体分子TTF会使单层锑烯成为n-型深能级半导体，而吸附强电子受体分子TCNQ会使单层锑烯成为p-型浅能级半导体。另外，对于小分子TTF和TCNQ共吸附在锑烯单侧和双侧的情况，此时两个小分子都将锑烯变成p-型浅能级半导体。无论是何种情形小分子同单层锑烯之间都存在一定量的电荷转移。 2.范德华双层锑烯的热光伏器件性能理论研究 以实验合成少层(甚至单层)AB(ABC)堆垛的范德华锑烯和非零带隙的多层范德华锑烯为出发点，设计了热动力学稳定的不同堆垛方式的范德华双层和三层锑烯。从能带结构发现范德华双层锑烯的不同堆垛方式(AA、AB和AC)将带来一个独特的性质——从金属(AB堆垛)到半导体(AA和AC堆垛)的特性。而范德华三层锑烯不管是何种堆垛方式都保持着金属的特性。特别是，AC堆垛的范德华双层锑烯的带隙值为0.62eV，恰好落在高效率的热光伏器件要求的带隙(0.35-0.75eV)范围内。鉴于此，设计了基于AC堆垛的范德华双层锑烯的热光伏器件。理论计算结果显示该热光伏器件的能量转换效率达到31％，明显高于传统热光伏器件锗和锑化镓的能量转换效率。 3.高迁移率单层BX(X=P,As和Sb)半导体的理论研究 载流子迁移率是衡量微电子器件（特别是场效应管）的一个关键因素。对于下一代场效应管来说，要求其沟道材料既要有高于硅的载流子迁移率，又要有合适的带隙值，至今为止仍未发现同时满足这两个条件的材料。研究了具有与石墨烯类似结构的单层BX(X=P,As和Sb)。计算结果发现其均是直接带隙半导体，带隙值分别为1.36、1.14和0.49eV(＞0.4eV)，满足开关比的要求。同时它们的迁移率都在104cm2V-1s-1以上，特别是单层BSb的迁移率(3.2×105cm2V-1s-1)接近石墨烯的理论迁移率(～3×105cm2V-1s-1)。基于这两个有利条件，单层BX(X=P,As和Sb)有望作为高效率的场效应管的沟道材料。 4.黑磷状磷化砷的太阳能电池性能理论研究 太阳能电池是能源利用领域的一种重要的光电器件。而传统太阳能电池的光电转换效率低下。基于实验合成少层黑磷状磷化砷以及理论报道的磷烯五种单层同素异形体，设计了五种热动力学稳定的单层磷化砷的同质异形体(α，β，γ，δ和ε-AsP)。特别是，单层α和β-AsP较于γ、δ和ε-AsP更稳定的相。并且单层α相AsP是带隙值为1.54eV的直接带隙半导体，能够覆盖了大部分的太阳光。此外，单层α-AsP的电子迁移率为14，380cm2V-1s-1，正好比硅的迁移率(1，400cm2V-1s-1)高了一个数量级。鉴于单层α-AsP有这两个优点，第一次提出了基于单层α-AsP和单层GaN的太阳能电池器件。理论仿真结果也确定基于α相的单层磷化砷/单层氮化镓的太阳能电池具有可观的光电转换效率(22.1％)。

目录

声明

摘要

1绪论

1．1研究背景和意义

1．2国内外研究现状

1．3块体砷、锑

1．3．1块体砷

1．3．2块体锑

1．4二维砷烯、锑烯及其衍生物的结构和性质

1．4．1砷烯及其衍生物

1．4．2锑烯及其衍生物

1．5二维砷烯、锑烯及其衍生物的实验制备

1．5．1砷烯及其衍生物的制备

1．5．2锑烯及其衍生物的制备

1．6二维砷烯、锑烯及其衍生物的应用

1．6．1场效应管

1．6．2拓扑自旋电子器件

1．6．3气敏传感器

1．6．4电池

1．7本文工作的主要内容

2理论和计算方法

2．1量子力学理论

2．1．1薛定谔方程(Schr(o)dinger equation)

2．1．2基态的变分原理

2．1．3 Hartree-Fock近似

2．1．4玻恩奥本海默(Born-Oppenheimer)近似

2．2密度泛函理论DFT

2．2．2 Hohenberg-Kohn定理

2．2．3 Kohn-Sham方程

2．2．4交换关联泛函

2．3赝势

2．4计算软件包简介

2．4．1 VASP

2．4．2 CASTEP

2．4．3 DMol3

2．5本章小结

3 N-和P-型锑烯的化学掺杂理论研究

3．1引言

3．2计算方法

3．3结果和讨论

3．3．1 TTF／antimonene和TCNQ／antimonene的几何结构

3．3．2 TTF／antimonene和TCNQ／antimonene的电子结构性质

3．3．3 TTF／antimonene和TCNQ／antimonene的STM表征

3．3．4 TTF和TCNQ共吸附在锑烯的情况

3．4本章小结

4范德华双层锑烯的热光伏器件性能理论研究

4．1引言

4．2计算方法

4．3结果与讨论

4．3．1范德华双层和三层锑烯的模型

4．3．2范德华双层和三层锑烯的稳定性

4．3．3范德华双层和三层锑烯的电学性质

4．3．4基于AC堆垛范德华双层锑烯热光伏器件的能量转换效率

4．4本章小结

5高迁移率的二维BX(X=P，As，Sb)理论研究

5．1引言

5．2计算方法

5．3结果与讨论

5．3．1单层BX的稳定性

5．3．2单层BX的迁移率

5．3．3影响单层BX迁移率的因素

5．4本章小结

6黑磷状单层磷化砷的太阳能电池性能理论研究

6．1引言

6．2计算方法

6．3计算结果与分析

6．3．1单层磷化砷同质多形体的结构

6．3．2单层磷化砷同质多形体的表征

6．3．3单层磷化砷同质多形体的稳定性

6．3．4单层磷化砷同质多形体的电子结构性质

6．3．5 α和β相单层磷化砷的载流子迁移率

6．3．6黑磷状单层磷化砷的光电转换效率

6．4本章小结

7总结和展望

7．1总结

7．2展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间已发表的相关论文