二维GaGeTe薄膜设计及其量子性质调控

发布时间：2020-08-05 06:29

【摘要】：受实验上层状GaGeTe材料成功制备的启发,通过第一性原理计算探索了单层和多层GaGeTe材料的晶体结构和电子性质。单层GaGeTe薄膜具有良好的动力学稳定性和热稳定性。当材料从块体变成多层时,GaGeTe实现了从金属态到半导态的过渡,其带隙范围为0~0.74eV。此外,单层GaGeTe材料的间接带隙可以通过施加应力来进行有效的调节,带隙随着拉伸应力的变大而逐渐减小,在2.0%的压缩应变下其带隙变为直接带隙。单层GaGeTe材料电子的迁移率沿着Zigzag和Armchair方向具有各向异性,而前者的最大值可以达到7.83×10~4cm~2V~(-1)s~(-1)。这为其在电极材料和半导体器件中的应用提供了巨大的潜力,扩展了其在二维纳米电子学中的潜在应用。考虑到单层GaGeTe和锗烯材料均具有较高的载流子迁移率,因此继续研究了Ge@GaGeTe异质结的物理性质。在此,根据衬底与薄膜的相对位置共设计了三种Ge@GaGeTe异质结构型。通过第一性原理计算,研究发现GaGeTe薄膜是锗烯沉积的一种理想衬底,且三种构型均表现出了半导体性质。Ge@GaGeTe异质结具有较高的载流子迁移率(9.7×10~3 cm~2V~(-1)s~(-1)),其能带结构可以通过施加外电场和应力工程来进行灵活的调控。因此,Ge@GaGeTe异质结可以用于设计场效应晶体管数据存储器,为新型纳米电子器件提供了新的思路。另一方面,基于紧束缚模型和密度泛函理论,对二维六角m-Tl薄膜的几何结构、能带结构和拓扑性质进行了研究。m-Tl薄膜中所有Tl原子均处于同一平面。能带分析表明在费米能级附近存在一个狄拉克拓扑节环,主要来源于Tl原子的p_(x,y)轨道与p_z轨道交叉。当考虑自旋轨道耦合后,拓扑节环处会打开0.168eV的带隙。对m-Tl薄膜施加拉伸应力后,其出现从平庸态到非平庸态的转变。该拓扑性质可以通过对材料的贝里曲率、边缘态以及Z_2不变量来进一步证实。通过紧束缚模型,揭示了材料的拓扑性起源。二维m-Tl薄膜拓宽了二维拓扑绝缘体的范围,为二维拓扑材料的设计提供了一个良好的平台。
【学位授予单位】：济南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O413;TB383.2
【图文】：

示意图,二维薄膜,材料结构,示意图

二维 GaGeTe 薄膜设计及其量子性质调控科学技术的不断进步，在薄膜材料这十几年的发展中，已经报道了各实际应用意义的新型二维材料[34-36]。继十几年前利用机械剥离法获得、单层二硫化钼材料、锗烯、二维金属化合物、二维氮化硼材料，甚材料等相继在实验上人工合成制备。在成功制备出石墨烯之后，人们他的二维材料，首先研究人员在金属衬底上成功制备出了硅烯。制备结构与平面六角蜂窝状石墨烯的晶体结构不相同，它们两者在能带图也不一样。另外石墨烯与锗烯相对比，平面六角蜂窝状结构的锗烯在它具有一定的褶皱高度。正因为锗烯有褶皱的存在，使锗烯的晶体结 1-1 中是目前已经成功制备合成的几种典型二维薄膜材料结构示意图观的看出这几种典型二维材料的晶体结构特点和差异。

示意图,单层,侧视图,材料单

济南大学硕士学位论文第三章二维 GaGeTe 薄膜材料的电子性质研究本章节的内容受实验上成功合成的三维层状 GaGeTe晶体的启发，从理论层面出发，首先研究了 GaGeTe 材料的晶体结构和能带性质，其次探索了单层以及多层 GaGeTe 材料的电子性质与能带带隙的变化规律。本章着重研究了单层 GaGeTe 薄膜在外加应力作用下带隙的变化规律、光学性质以及载流子迁移率。结果表明二维 GaGeTe 薄膜是制作纳米电子器件的重要候选材料。3.1 GaGeTe 薄膜的结构和能带性质研究

单层,方法,能带结构,带隙

16-2 (a-f)分别为由 PBE 方法计算获得的 GaGeTe 单层到六层的能带结构图；(g)图为由 PBE 方HSE06 方法获得的带隙与层数的关系图。依托于实验上取得的进展，单层的 GaGeTe薄膜极有可能从其三维结构中剥离从理论角度研究了单层 GaGeTe 薄膜的性质。结果表明该单层薄膜六元层的排 Te-Ga-Ge-Ge-Ga-Te，可以理解为该薄膜中间的锗烯与两层 GaTe 原子层紧密维薄膜，如图 3-1(c,d)所示。从侧视图可知，锗原子位于材料的核心位置，由上下对称依次连接 Ga 原子和 Te 原子。计算时平面波的截断能设置为 550eV，度为 10-6eV，第一布里渊区内 K 点取为 15 15 1，结构的真空层为 30 。eTe 薄膜的晶格常数为 4.15 ，与三维块状 GaGeTe 的晶格常数相对比扩大了 1果主要是由于单层 GaGeTe材料中间位置锗烯的褶皱高度相对于三维块体中的

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