两种二维横向异质结构的第一性原理研究

发布时间：2020-03-20 03:46

【摘要】：石墨烯自成功研制以来,其优良的性质激发了科研工作者对新型二维材料的研究热情。其迅猛的发展涉及到固体物理学、材料科学与工程学等研究领域。到目前为止,陆续被发现或者合成的二维材料有类石墨烯家族的半金属性质的硅烯,锗烯,锡烯;过渡金属二硫族化合物(TMDCs),如MoS2、WS2、MoSe2、WSe2等;以及具有较大带隙的氮化硼单层等。随着二维材料的研究深入,人们对电子器件、光电器件等集成性,功能性的要求不断提高。其中,实现二维材料异质结构的有效调控是构筑高性能高集成器件的前提。因此,二维异质结构更加的受到科学研究者的关注。根据二维单层材料的特性,我们想到把不同的单层材料垂直的堆放起来,或者在一个平面内连接起来,从而可以形成范德瓦尔斯异质结和平面异质结。纵向异质结在理论方面和实验方面都已经被大量的调研。早期是通过物理转移法合成,后来随着工艺上的改善,可以用化学气相沉积法,直接在衬底上生长。这样可以提高异质结的品质。同时化学气相沉积法也可以用来生长横向异质结。目前具有代表性的两类异质结体系包括石墨烯和六角氮化硼异质结以及过渡金属二硫族化合物构成的异质结。异质结界面的原子结构和电子能带排列是未来二维器件研发的关键要素,复杂二维异质结构的合成,是实现其应用的基础和关键问题。本文中,我们基于实验上成功制备的由TMDCs构成的横向异质体系(WS2/WSe2/MoS2),运用基于密度泛函理论的第一性原理进行了计算分析和调研,同对由石墨烯和氮化硼形成的横向异质节进行电子结构的调控。通过改变尺寸宽度,应力和吸附位点等方面分别对这两类横向异质结进行了研究,揭示了其在未来单层电子器件中的应用潜力。以下为本论文的主要内容:第一章介绍了二维材料的发展背景以及异质结的研究进展。第二章介绍了密度泛函理论(DFT)的基础知识和本文中运用到的第一性原理计算软件包。第三章通过对WS2/WSe2/MoS2这三种不同材料的电子性质的研究,从三个方向分别构建了不同晶格参数的WS2/WSe2/MoS2横向异质结,这也意味着产生了3种不同的应力。通过对应力的调控,我们发现,这三种不同晶格参数的横向异质结产生了不同的带隙,而且其带隙呈现了直接到间接的变化。同时我们观察其能带图可以看到产生了 type Ⅰ和type Ⅱ两种不同的能带对齐方式。通过对齐晶格尺寸的调控,我们发现,受量子尺寸效应的影响,这三种横向异质结的带隙都呈现了逐渐减小的趋势。同时我们还定性的调研了一下WS2/WSe2/MoS2横向异质界面处电子分布和转移的情况。我们的研究结果表明,WS2/WSe2/MoS2的二维平面异质结构呈现出丰富可调的电子特性,并在光发射和光电的实际运用中具有很大的研究意义。第四章说明了石墨烯和h-BN在构建二维横向异质结时,二者的尺寸长度以及吸附位点对于体系的电子能带结构的影响,同时对于不同位置的氟化位点也有很大的影响作用。通过改变不同的吸附位点,结果显示带隙打开大小也有所不同,出现了金属,绝缘体和半导体不同的情况。随着尺寸的变大,带隙呈现一个越来越小的趋势。这种结果有利于我们通过调节吸附位点和尺寸大小,来选取我们需要的结构,这在光催化方面具有重要的意义。同时,在全吸附构型中,出现了双狄拉克锥,这种新奇的效应,非常值得研究,使其更好地应用在电子器件中。氟化石墨烯和氮化硼横向异质结的研究结果表明,丰富可控的电子性能,在以后电子器件的应用中具有很大的潜力。第五章总结概括了本论文的研究内容,并对二维材料的构成横向异质结进行了展望。
【图文】：

两种二维横向异质结构的第一性原理研究

图１：邋（ａ）六角单胞

两种二维横向异质结构的第一性原理研究

图２：邋（ａ）邋ｎ邋＝邋３时，，ＷＳ２／ＷＳｅ２ＭｏＳ２的声子谱
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB303

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