基于第VA族元素形成的二維材料的結構和性能研究.pdf

1、自石墨烯(Graphene)被發(fā)現以來，原子厚度的二維材料以其獨特的性質得到廣泛的關注。如今已發(fā)現的二維層狀納米材料除了石墨烯還有硅烯、鍺烯、h-BN、MoS2和WS2、PbI和MoCl、MnO2和WoO3、Mg6Al2(OH)16等。同時一些其他二維層狀材料也被相繼報道，例如過渡金屬碳/氮化合物(MXenes)、硼烯(Borophene)以及磷烯(Phosphorene)等。其中，二維磷烯的出現極大地啟發(fā)了第VA族二維材料體系的研究探

2、索。本論文著眼于VA族元素形成的二維材料體系，采用基于密度泛函理論的第一性原理研究方法，對VA族元素形成的磷烯以及原子厚度的二元VA－VA族半導體化合物的結構和性能進行系統研究。
　　本論文的研究內容和結論如下：
　　1.利用第一性原理密度泛函理論計算，研究了IIIA、IVA、VA、VIA族非金屬原子(如B,C,N,O等)替代摻雜的二維磷烯的幾何結構、電子結構和熱力學穩(wěn)定性。研究發(fā)現摻雜體系存在反常的摻雜效應，即摻雜體系的電

3、子屬性可以被摻雜原子的價電子數強烈地調制：奇數價電子的摻雜原子(如B,N等IIIA、VA族元素的原子)，使得摻雜體系保持半導體屬性；偶數價電子的摻雜原子(如C,O等IVA、VIA族元素的原子)，使得摻雜體系具有金屬屬性。隨著摻雜原子最外層電子數的奇偶變化，摻雜體系的帶隙呈現半導體－金屬－半導體－金屬的振蕩，這種反常的奇－偶振蕩效應歸因于摻雜原子的最外層電子對磷烯中特殊的孤對電子的調制。研究結果為調制磷烯基電子器件及光電子器件的輸運性能提

4、供了有效的途徑。
　　2.研究了過渡金屬(如Sc,Ti,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni等)摻雜的二維黑磷磷烯以及藍磷磷烯的稀磁半導體以及半金屬屬性。研究發(fā)現，對于黑磷磷烯摻雜來說，Ti,V,Cr,Mn,Fe以及Ni摻雜體系呈現稀磁半導體屬性，而Sc和Co摻雜體系呈現非金屬性；而對于藍磷磷烯摻雜體系來說，V,Cr,Mn及Fe摻雜體系呈現稀磁半導體屬性，Ni摻雜體系呈現半金屬屬性，而Sc和Co摻雜體系呈現非金屬屬性。這些新奇的稀磁半

5、導體和半金屬屬性源于過渡金屬3d電子與磷烯的孤對電子的相互作用。
　　3.尋找新奇的二維半導體材料對于發(fā)展下一代低維電子器件具有重要意義。利用第一性原理計算，預測了一系列二維VA－VA族原子厚度的半導體化合物，如α-(β-) PN,AsN,SbN,AsP,SbP,SbAs等。通過聲子譜和室溫分子動力學的計算，驗證了這些半導體化合物具有室溫穩(wěn)定性；而具有層狀塊體結構的AsP和SbAs，其單層的穩(wěn)定性最好。能帶結構的計算表明，α結構的

6、半導體化合物具有直接帶隙，而β結構的具有間接帶隙；且大多數VA－VA族單層半導體化合物的帶隙在可見光范圍(1.59~3.26eV)，表明其是太陽能電池的候選材料。由于AsP特殊的皺褶結構，其電子結構對拉伸/壓縮應變非常敏感，帶隙隨著拉伸/壓縮減小。SbN/Phosphorene異質結的能帶結構幾乎是單層SbN和黑磷磷烯的疊加，導致其帶隙0.91eV和黑磷磷烯非常接近，可用于光電探測器等電子器件。研究成果不僅拓展了VA－VA族層狀半導體化

7、合物的視野，而且為VA－VA族二維材料在光電子和納米電子半導體器件上的應用提供了史無前例的途徑。
　　4.目前，二維材料的垂直組裝被視為設計電子器件和光電器件的令人激動的方法。利用第一性原理研究了GeSe/Phosphorene范德瓦爾斯異質結的結構和電子屬性。研究結果表明，這種異質結為II-型異質結，且應變可以導致異質結由間接帶隙到直接帶隙、由金屬到半導體轉變。另外，產生了自發(fā)的電子—空穴分離，預示著此異質結在光電子器件應用方面