基于第VA族元素形成的二维材料的结构和性能研究

摘要

自石墨烯(Graphene)被发现以来，原子厚度的二维材料以其独特的性质得到广泛的关注。如今已发现的二维层状纳米材料除了石墨烯还有硅烯、锗烯、h-BN、MoS2和WS2、PbI和MoCl、MnO2和WoO3、Mg6Al2(OH)16等。同时一些其他二维层状材料也被相继报道，例如过渡金属碳/氮化合物(MXenes)、硼烯(Borophene)以及磷烯(Phosphorene)等。其中，二维磷烯的出现极大地启发了第VA族二维材料体系的研究探索。本论文着眼于VA族元素形成的二维材料体系，采用基于密度泛函理论的第一性原理研究方法，对VA族元素形成的磷烯以及原子厚度的二元VA－VA族半导体化合物的结构和性能进行系统研究。　　本论文的研究内容和结论如下：　　1.利用第一性原理密度泛函理论计算，研究了IIIA、IVA、VA、VIA族非金属原子(如B,C,N,O等)替代掺杂的二维磷烯的几何结构、电子结构和热力学稳定性。研究发现掺杂体系存在反常的掺杂效应，即掺杂体系的电子属性可以被掺杂原子的价电子数强烈地调制：奇数价电子的掺杂原子(如B,N等IIIA、VA族元素的原子)，使得掺杂体系保持半导体属性；偶数价电子的掺杂原子(如C,O等IVA、VIA族元素的原子)，使得掺杂体系具有金属属性。随着掺杂原子最外层电子数的奇偶变化，掺杂体系的带隙呈现半导体－金属－半导体－金属的振荡，这种反常的奇－偶振荡效应归因于掺杂原子的最外层电子对磷烯中特殊的孤对电子的调制。研究结果为调制磷烯基电子器件及光电子器件的输运性能提供了有效的途径。　　2.研究了过渡金属(如Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni等)掺杂的二维黑磷磷烯以及蓝磷磷烯的稀磁半导体以及半金属属性。研究发现，对于黑磷磷烯掺杂来说，Ti,V,Cr,Mn,Fe以及Ni掺杂体系呈现稀磁半导体属性，而Sc和Co掺杂体系呈现非金属性；而对于蓝磷磷烯掺杂体系来说，V,Cr,Mn及Fe掺杂体系呈现稀磁半导体属性，Ni掺杂体系呈现半金属属性，而Sc和Co掺杂体系呈现非金属属性。这些新奇的稀磁半导体和半金属属性源于过渡金属3d电子与磷烯的孤对电子的相互作用。　　3.寻找新奇的二维半导体材料对于发展下一代低维电子器件具有重要意义。利用第一性原理计算，预测了一系列二维VA－VA族原子厚度的半导体化合物，如α-(β-) PN,AsN,SbN,AsP,SbP,SbAs等。通过声子谱和室温分子动力学的计算，验证了这些半导体化合物具有室温稳定性；而具有层状块体结构的AsP和SbAs，其单层的稳定性最好。能带结构的计算表明，α结构的半导体化合物具有直接带隙，而β结构的具有间接带隙；且大多数VA－VA族单层半导体化合物的带隙在可见光范围(1.59~3.26eV)，表明其是太阳能电池的候选材料。由于AsP特殊的皱褶结构，其电子结构对拉伸/压缩应变非常敏感，带隙随着拉伸/压缩减小。SbN/Phosphorene异质结的能带结构几乎是单层SbN和黑磷磷烯的叠加，导致其带隙0.91eV和黑磷磷烯非常接近，可用于光电探测器等电子器件。研究成果不仅拓展了VA－VA族层状半导体化合物的视野，而且为VA－VA族二维材料在光电子和纳米电子半导体器件上的应用提供了史无前例的途径。　　4.目前，二维材料的垂直组装被视为设计电子器件和光电器件的令人激动的方法。利用第一性原理研究了GeSe/Phosphorene范德瓦尔斯异质结的结构和电子属性。研究结果表明，这种异质结为II-型异质结，且应变可以导致异质结由间接带隙到直接带隙、由金属到半导体转变。另外，产生了自发的电子—空穴分离，预示着此异质结在光电子器件应用方面可以作为候选材料。研究成果为GeSe/Phosphorene范德瓦尔斯异质结在未来的弹性电子、光电子和半导体器件上的应用提供有效途径。

目录

声明

1 引言

1.1 二维材料的兴起与研究现状

1.2 磷烯的兴起和研究现状

1.3 砷烯、锑烯的兴起和研究现状

1.4 从二维材料到范德瓦尔斯异质结构

1.5本论文主要研究内容

2 理论计算方法

2.1薛定谔(Schr?dinger)方程与波函数(Ψ)

2.2 密度泛函理论(DFT)

2.3 赝势方法

2.4 投影缀加平面波方法(PAW)

2.5 VASP(Vienna ab-initio simulation package)简介

3 磷烯反常掺杂效应的第一性原理研究

3.1 背景介绍

3.2 计算方法和计算细节

3.3 计算结果及讨论

3.4本章小结

43d过渡金属掺杂磷烯的稀磁半导体及半金属行为的第一性原理研究

4.1 研究背景

4.2 计算方法

4.3 结果和讨论

4.4 本章小结

5原子厚度的VA－VA族二元化合物半导体的理论计算研究

5.1 背景介绍

5.2 计算方法和细节

5.3 计算结果与讨论

5.4 本章小节

6 硒化锗/磷烯(GeSe/Phosphorene)异质结电子性质的调控

6.1 背景介绍

6.2 计算方法

6.3 计算结果及讨论

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 工作总结

7.2 研究展望

参考文献

在学期间发表和待发表的学术论文

致谢