低维异质结构在光电和储能器件中应用的第一性原理研究

摘要

低维2D半导体异质结和核/壳纳米线(CSNWs)由于其有趣的物理性质和在光电探测器、太阳能电池、发光二极管、传感器、光电子化学电池、场效应晶体管(FET)、电致变色器件、激光器、多状态存储器等领域潜在的应用前景，得到了广泛的研究和工业界的关注。在本文中，我们使用一种著名的量子力学方法，即密度泛函理论(DFT)，来预测这种新的杂化材料在光电器件(晶体管、p-n结二极管、LED、FET)和储能器件（锂离子电池）中的应用。第一章介绍了核/壳纳米线(CSNWs)和2D半导体异质结构的背景、应用和重要性，第二章介绍了采用的密度泛函理论。 第三章利用密度泛函理论计算研究了氢钝化纤锌矿ZnS/Si和Si/ZnS核/壳纳米线(CSNWs)在[0001]方向上的电子结构和带隙性质。研究了壳层化学组成比对晶格参数和带隙的影响。几乎所有这些不同尺寸和不同化学组成比的CSNWs都具有间接带隙;然而，在ZnS/Si CSNWs的情况下，当尺寸为2.7nm和3nm且x=0.4，它们表现出直接带隙。这种间接到直接的带隙转变归因于它们的体对应部分的核心区的直接带隙性质和核/壳界面上的应变效应。由于量子限域，当两个CSNWs的尺寸从3nm减小到2.5nm时，带隙会增加。带隙调制与实验结果完全一致。内聚能表明，直径较大的CSNWs能量更稳定，Si/ZnS CSNWs比ZnS/Si CSNWs更稳定。 第四章研究了氢钝化纤锌矿CdSe/ZnS和ZnS/CdSe核/壳纳米线(CSNWs)在[0001]方向上的结构稳定性和电子结构。计算出的内聚能表明，ZnS/CdSe CSNWs比CdSe/ZnS CSNWs更稳定，ZnS/CdSe CSNWs的稳定性随着ZnS壳厚度的增加而增加。由于量子限制效应，当两个CSNWs的尺寸减小时，调制的电子带隙增加。核/壳的原子化学组成表明，在这些CSNWs中也存在强的组分效应，这反过来又影响它们的电子性质。我们的模拟结果表明，通过调制CSNWs的能隙可以显著改善CSNWs的光发射谱。 在第五章中，我们利用密度泛函理论研究了三种过渡金属二卤化物(TMD)异质膜、ZrS2/HfS2、ZrSe2/HfSe2和SnS2/SnSe2的结构、电子和光学性质。预测了这些异质结构是能量和动态上的稳定结构。能带结构计算结果表明，ZrS2/HfS2、ZrSe2/HfSe2和SnS2/SnSe2异质结是具有间接带隙的半导体。ZrS2/HfS2和ZrSe2/HfSe2杂原子层中的有效电荷载流子分离表明它们可以用于能量收集装置中。与以前关于ZrS2/HfS2异质层的报道相反，我们发现它是一个本征Ⅱ型带，这是p-n结二极管和隧道场效应晶体管中所需要的，并且在ZrSe2/HfSe2和SnS2/SnSe2中也有相同的行为。ZrS2/HfS2和ZrSe2/HfSe2异质膜在紫外和可见光区域中与各自的单层相比均有光吸收增强;而SnS2/SnSe2异质层的光学吸收的平行和垂直部分表现出各向异性行为;在较高能量区域中，垂直部分大大提高，而在紫外区域中光学吸收的平行部分得到改善。 第六章以密度泛函理论为基础，研究了ZrS2和石墨烯单层膜和ZrS2/石墨烯异质层在锂离子电池(LIBs)中阳极应用的电化学性能。首次证实了该复合材料的能量稳定性和动态稳定性。低锂扩散阻挡层(0.24eV)、低半电池电压(0.7V)和高储存容量(350mAh/g)的ZrS2单层使得它成为LIBs的潜在阳极材料。ZrS2单层的大能隙可以降低可逆性，这个问题可以通过与石墨烯接触来克服。与石墨烯和单层ZrS2相比，ZrS2/石墨烯异质层的Li结合能得到了显著的改善。

目录

声明

摘要

ABSTRACT

Table of Content

Chapter 1 Introduction

1．1．1 Nanowires (NWs)

1．1．2 Different structure NWs

1．1．3 Core shell nanowires(CSNWs)

1．1．4 Theoretical perspective

1．2 Applications

1．2．1 Electronic and electrical applications

1．2．2 Optical applications

1．2．3 Photovoltaic applications

1．2．4 Sensors

1．3 2D Monolayers and Heterostrueture

1．3．1 Transition metal dichalcogenides(TMD)

1．3．2 Optical and electronic properties of 2D materials

1．3．3 Heterostructures of 2D materials

1．4 Applications of Atomically Thin TMD Materials

1．5 Thesis Outline

Chapter 2 Theoretical Model

2．1．4 Density functional theory (DFT)

2．2 Background of DFT

2．3 Mathematics of DFT

2．4 Theorems of DFT

2．5 Two Fundamental Theorems

2．5．2 Kohn-Sham theorems

2．6 Kohn-Sham Orbitals

2．7 Electron Probability Density

2．8 Kohn-Sham Energy

2．9 Exchange Correlation Potential

2．10 Density Functional Calculation Procedure

2．11 Exchange-correlation functional

2．11．1 Local density approximation(LDA)

2．11．2 Local spin density approximations(LSDA)

2．11．3 Generalized gradient approximation(GGA)

2．11．4 Hybrid functionals

Chapter 3 Band Gap Modulation in ZnS／Si and Si／ZnS Core／Shell NWs

3．1 Introduction

3．2 Methodology

3．3 Results and Discussion

3．3．1 Structural parameters

3．3．2 Electronic properties

3．3．3 Cohesive energy

3．4 Conclusion

Chapter 4 Structural and Electronic Properties of CdSe／ZnS and ZnS／CdSe Core／Shell Nws

4．1 Introduction

4．2 Methodology

4．3 Results and Discussion

4．3．1 Structural properties

4．3．2 Electronic properties

4．3．3 Projected density of states(PDOS)analysis

4．4 Conclusion

Chapter 5 Enhanced Electronic and Optical Properties of Three TMD Heterobilayers

5．1 Introduction

5．2 Methodology

5．3 Results and Discussion

5．3．1 ZrS2／HfS2 heterobilayer

5．3．2 ZrSe2／HfSe2 heterobilayer

5．3．3 SnS2／SnSe2 heterobilayer

5．4 Conclusion

ZrS2／graphene Heterobilayer for Rechargeable Li Ion Batteries

6．1 Introduction

6．2 Methodology

6．3 Results and Discussion

6．3．1 ZrS2 monolayer

6．3．2 Li on ZrS2 monolayer

6．3．3 Li insertion into ZrS2／graphene heterostructure

6．3．4 Electronic structure of ZrS2 monolayer and ZrS2／graphene heterostructure

6．4 Conelusion

Chapter 7 Summary of Dissertation

References

Acknowledgement

Publications