新型二維半導(dǎo)體材料磷烯吸附原子的性質(zhì)研究.pdf

1、表面原子吸附是改變半導(dǎo)體材料物理和化學(xué)性質(zhì)的最有效的方法之一。將金屬或非金屬原子吸附到單層黑磷（磷烯“p hosp ho re ne”）材料的表面，可以引起磷烯的能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度等電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的改變。經(jīng)過表面原子吸附處理的磷烯材料可以具有不同于本征磷烯的新特性，尤其是導(dǎo)電性和磁性的改變?；诹孔恿W(xué)和密度泛函理論的第一性原理的計算方法，是研究材料表面原子吸附的性能和微觀結(jié)構(gòu)變化的一種比較有效的方法。利用第一性原理的計算方法進(jìn)行

2、表面吸附研究，不但可以詳細(xì)而又深入的了解磷烯材料的微觀幾何結(jié)構(gòu)和其電子結(jié)構(gòu)，從理論上驗證一些實驗現(xiàn)象的正確性和精確性，還可以探究材料的一些未知的特性，進(jìn)而推進(jìn)新材料的研發(fā)。
　　本論文的研究工作主要分為以下幾個部分：
　　第一部分研究了本征磷烯（p hosp hore ne）的原子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和磁性。單層黑磷的結(jié)構(gòu)為正交結(jié)構(gòu)，它的空間群為 Cmca（No.64）,是一種典型的直接帶隙二維半導(dǎo)體材料。本文具體對其能帶結(jié)構(gòu)和電

3、子態(tài)密度進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析。計算結(jié)果驗證了實驗所得的磷烯所具有的物理特性的正確性。
　　第二部分研究了磷烯表面吸附 C、N、O、Na、Mg、Al原子的基本物理特性，包括最穩(wěn)定吸附位置、體系的幾何結(jié)構(gòu)和電荷轉(zhuǎn)移情況等，并對計算結(jié)果進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。磷烯與金屬原子以及非金屬原子之間的相互作用都比較強(qiáng)，吸附能也比較大。磷烯表面吸附非金屬原子時，磷烯的 P原子與非金屬原子形成了作用力比較強(qiáng)的共價鍵。吸附金屬原子時，其結(jié)合能比石墨烯的結(jié)合

4、能要大得多，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。電子由金屬原子轉(zhuǎn)移到了磷烯表面，這在磷烯作為電池電極材料方面有積極的作用。
　　最后分析了磷烯吸附不同的原子后，其體系的能帶結(jié)構(gòu)的變化和電子態(tài)密度隨能量變化的規(guī)律。本文針對不同的吸附原子，計算得出了他們的能帶結(jié)構(gòu)圖、總的態(tài)密度和分波態(tài)密度圖，分階段分析了磷烯體系態(tài)密度的來源。根據(jù)計算，吸附N、N a、Al原子時，磷烯材料由直接帶隙性質(zhì)的半導(dǎo)體轉(zhuǎn)化成了導(dǎo)體。吸附 C原子時，其體系比較特殊，由于自旋磁性的影響

5、，材料的能帶結(jié)構(gòu)分為上下自旋能帶，材料的性質(zhì)仍為半導(dǎo)體。吸附Mg原子時，體系保持半導(dǎo)體特性，帶隙比本征態(tài)時的帶隙要小。由于Mg原子的加入，體系由直接帶隙半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)榱碎g接帶隙的半導(dǎo)體。吸附 O原子時，體系同樣保持半導(dǎo)體特性，O原子對體系能帶以及態(tài)密度的影響很小，其能帶結(jié)構(gòu)與本征態(tài)的磷烯最為相似。通過對磷烯體系的系統(tǒng)分析，我們發(fā)現(xiàn)原子吸附影響磷烯特性發(fā)生改變的主要原因是不同原子間的相互作用和各不相同的電子轉(zhuǎn)移情況。這些理論結(jié)論可以為磷烯的