【摘要】：由于具有高載流子遷移率、適度的開關(guān)比以及層依賴特征的電子結(jié)構(gòu)等優(yōu)良特性,一種新型的低維納米材料——磷烯正在悄然崛起。在備受關(guān)注的同時,類黑磷材料也引起了人們的高度重視。這類材料有著和黑磷相類似的結(jié)構(gòu),并已被證明在太陽能電池、場效應(yīng)晶體管以及光電轉(zhuǎn)換器等領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景。但是,這一系列材料的基礎(chǔ)研究開展的相對較少,特別是其電子結(jié)構(gòu)及其改性研究更是缺乏系統(tǒng)。通過第一性原理計算方法,本論文從類黑磷材料之一的SnSe入手,研究本征摻雜、化學(xué)摻雜對其電子結(jié)構(gòu)的影響;進一步,以GeS為例,研究了其與黑磷組成異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)。具體來講了本論文的內(nèi)容組織如下:第一章,系統(tǒng)介紹了低維納米材料和類黑磷材料的研究現(xiàn)狀,本論文的研究意義和主要內(nèi)容。第二章,簡明扼要地闡述了第一性原理計算的原理,簡單介紹了本文所使用的VASP軟件包。第三章,對體相SnSe本征缺陷的形成能、電子性質(zhì)以及磁學(xué)性質(zhì)進行了系統(tǒng)研究。我們模擬了三種類型的本征缺陷:空位(VSn/VSe)、填隙(Sni/Sei)以及反占位(Snse/Sesn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),不同的制備條件對形成能產(chǎn)生了不同的影響:VSe、Sni和Snse的形成能在富Sn的條件下較低,而Vsn、Sei Sesn的形成能在富Se的條件下更低。進一步通過缺陷熱力學(xué)躍遷能級的計算發(fā)現(xiàn),Vsn由于具有較低的形成能和較淺的躍遷能級,可以實現(xiàn)體相SnSe的p型導(dǎo)電。此外,自旋極化計算的結(jié)果表明這些本征缺陷并沒有在體相SnSe中引入磁性基態(tài)。第四章,對單層SnSe化學(xué)摻雜的電子結(jié)構(gòu)、磁學(xué)性質(zhì)以及光學(xué)性能進行了系統(tǒng)研究。通過對陰離子位的替換摻雜發(fā)現(xiàn),由于具有較深的躍遷能級,F、Cl、Br難以實現(xiàn)單層SnSe的導(dǎo)電;而N、P、As等p型摻雜劑中,因P原子摻雜形成能較低,熱力學(xué)轉(zhuǎn)化能較淺,最有希望實現(xiàn)有效的p型導(dǎo)電。另一方面,陽離子位的空穴摻雜發(fā)現(xiàn),由于具有更低的摻雜能,Mg的取代比Li和A1更容易實現(xiàn);Li和Mg摻雜體系為非磁性基態(tài),而雜質(zhì)原子A1不僅引入磁性,還提高了 SnSe納米片在可見光區(qū)的光吸收。第五章,對由磷烯和類黑磷材料GeS組成的范德華異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子性質(zhì)進行了系統(tǒng)研究。通過建立晶格匹配(MAT)和晶格失配(MIS)兩種模型,發(fā)現(xiàn)異質(zhì)模型中的載流子并沒有完全分離。對于MAT的異質(zhì)結(jié),我們發(fā)現(xiàn)通過將單層GeS調(diào)節(jié)為雙分子層,可以增大GeS與BP之間的價帶帶階差,從而實現(xiàn)電子空穴對的分離,;對于MIS模型,改變層間距可以使異質(zhì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榈湫偷蘑裥团帕?但是施加電場或摻雜親電分子2,3,5,6-四氟-7,7,8,8-四氰基醌二甲烷(F4TCNQ)可以使異質(zhì)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出理想的Ⅱ型排列。進一步的研究表明,這種載流子分離現(xiàn)象可以用空穴遷移和電子傳遞的原理來分別加以解釋。第六章,對本論文的研究工作進行總結(jié)概括,并對后續(xù)本論文的科研方向和應(yīng)用前景進行展望。
【圖文】：

算方法進行了驗證。為避免周期性邊界相互作用的影響，在垂直方向上采用至少１５逡逑Ａ的真空層厚度。逡逑圖３．１體相ＳｉｉＳｅ單胞和１Ｘ邋３邋Ｘ邋３超晶胞模型逡逑｛ａ）邐Ｓｅｓｎ邋Ｘ逡逑ｍ逡逑姐１＾１逡逑如圖３．１ａ所示，ＳｎＳｅ呈現(xiàn)出雙層的幾何結(jié)構(gòu)，，在同一平面上Ｓｎ原子和Ｓｅ原逡逑子以鋸齒形連接在一起。優(yōu)化之后的體相晶胞參數(shù)為ａ＝１１．６４，ｂ＝４．２２和ｃ＝４．４９逡逑Ａ邋，這與實驗值ａ＝１１．５５，ｂ＝４．１６和ｃ＝４．４５Ａ很好的吻合［２０］。相應(yīng)的Ｓｎ－Ｓｅ鍵長分逡逑別為２．７８和２．８３Ａ邋（圖３．１ａ），這與文獻［３９］中報道的值相一致。為了減少缺陷與逡逑缺陷之間的相互作用，我們構(gòu)建了由３６個錫原子和３６硒原子組成的１邋Ｘ３Ｘ３的超逡逑晶胞結(jié)構(gòu)。通過挖去一個錫／硒原子（ＶＳｎ／ＶＳｅ）、嵌入一個錫／硒原子（Ｓｎｉ／Ｓｅｉ）或逡逑者用一個反位原子來替換一個錫／硒原子（Ｓｎｓｅ／Ｓｅｓｎ）我們引入了三種類型的本征缺逡逑陷（圖３．１ｂ）。在ＹＺ平面以及ｘ方向上缺陷與缺陷之間的距離至少１１．６Ａ，這個逡逑距離足以給出一個合理的近似孤立的缺陷。此外，我們構(gòu)建了一個更大的２Ｘ４Ｘ４逡逑１４逡逑

ｑ－ｑ＇逡逑圖３．４ａ和３．４ｂ呈現(xiàn)出的是ＳｎＳｅ的６個本征缺陷分別在富錫和富硒兩種不同生逡逑長條件下的形成能與費米能級的函數(shù)關(guān)系圖。由于在完美晶體ＳｎＳｅ中Ｓｎ和Ｓｅ分逡逑別以－２和２的價態(tài)存在，所以我們考慮的帶電缺陷的電荷態(tài)也是從－２到２。對于空逡逑位缺陷，從圖中我們可以很容易地發(fā)現(xiàn)，電荷態(tài)為－２的ＶＳｎ的形成能在所有的本征逡逑缺陷中最低。另外，ＶＳｎ具有一個非常接近于ＶＢＭ的超淺躍遷能級￡（０／２－），表明逡逑ＶＳｎ可以作為淺受主缺陷并將貢獻于ＳｎＳｅ的Ｐ型傳導(dǎo)。無論是富錫還是富硒的條件逡逑下，隨著載流子濃度的增加，費米能級都將向下移動，然后停留在錫空位ＶＳｎ邋（ｇ＝２－）逡逑與硒空位ＶＳｅ化＝０或ｇ＝＋ｌ）之間的交叉點（圖３．４）。事實上，錫空位ＶＳｎ的熱力學(xué)逡逑穩(wěn)定性在富硒條件下更占優(yōu)勢，因此這樣的條件下更適合錫空位缺陷的�。葰g

本文編號：2630615