类黑磷及其异质材料电子结构的第一性原理研究

发布时间：2020-04-17 07:24

【摘要】：由于具有高载流子迁移率、适度的开关比以及层依赖特征的电子结构等优良特性,一种新型的低维纳米材料——磷烯正在悄然崛起。在备受关注的同时,类黑磷材料也引起了人们的高度重视。这类材料有着和黑磷相类似的结构,并已被证明在太阳能电池、场效应晶体管以及光电转换器等领域有着十分广阔的应用前景。但是,这一系列材料的基础研究开展的相对较少,特别是其电子结构及其改性研究更是缺乏系统。通过第一性原理计算方法,本论文从类黑磷材料之一的SnSe入手,研究本征掺杂、化学掺杂对其电子结构的影响;进一步,以GeS为例,研究了其与黑磷组成异质结的电子结构性质。具体来讲了本论文的内容组织如下:第一章,系统介绍了低维纳米材料和类黑磷材料的研究现状,本论文的研究意义和主要内容。第二章,简明扼要地阐述了第一性原理计算的原理,简单介绍了本文所使用的VASP软件包。第三章,对体相SnSe本征缺陷的形成能、电子性质以及磁学性质进行了系统研究。我们模拟了三种类型的本征缺陷:空位(VSn/VSe)、填隙(Sni/Sei)以及反占位(Snse/Sesn)。结果发现,不同的制备条件对形成能产生了不同的影响:VSe、Sni和Snse的形成能在富Sn的条件下较低,而Vsn、Sei Sesn的形成能在富Se的条件下更低。进一步通过缺陷热力学跃迁能级的计算发现,Vsn由于具有较低的形成能和较浅的跃迁能级,可以实现体相SnSe的p型导电。此外,自旋极化计算的结果表明这些本征缺陷并没有在体相SnSe中引入磁性基态。第四章,对单层SnSe化学掺杂的电子结构、磁学性质以及光学性能进行了系统研究。通过对阴离子位的替换掺杂发现,由于具有较深的跃迁能级,F、Cl、Br难以实现单层SnSe的导电;而N、P、As等p型掺杂剂中,因P原子掺杂形成能较低,热力学转化能较浅,最有希望实现有效的p型导电。另一方面,阳离子位的空穴掺杂发现,由于具有更低的掺杂能,Mg的取代比Li和A1更容易实现;Li和Mg掺杂体系为非磁性基态,而杂质原子A1不仅引入磁性,还提高了 SnSe纳米片在可见光区的光吸收。第五章,对由磷烯和类黑磷材料GeS组成的范德华异质结构的电子性质进行了系统研究。通过建立晶格匹配(MAT)和晶格失配(MIS)两种模型,发现异质模型中的载流子并没有完全分离。对于MAT的异质结,我们发现通过将单层GeS调节为双分子层,可以增大GeS与BP之间的价带带阶差,从而实现电子空穴对的分离,;对于MIS模型,改变层间距可以使异质结构转变为典型的Ⅰ型排列,但是施加电场或掺杂亲电分子2,3,5,6-四氟-7,7,8,8-四氰基醌二甲烷(F4TCNQ)可以使异质结构呈现出理想的Ⅱ型排列。进一步的研究表明,这种载流子分离现象可以用空穴迁移和电子传递的原理来分别加以解释。第六章,对本论文的研究工作进行总结概括,并对后续本论文的科研方向和应用前景进行展望。
【图文】：

算方法进行了验证。为避免周期性边界相互作用的影响，在垂直方向上采用至少１５逡逑Ａ的真空层厚度。逡逑图３．１体相ＳｉｉＳｅ单胞和１Ｘ邋３邋Ｘ邋３超晶胞模型逡逑｛ａ）逦Ｓｅｓｎ邋Ｘ逡逑ｍ逡逑姐１＾１逡逑如图３．１ａ所示，ＳｎＳｅ呈现出双层的几何结构，，在同一平面上Ｓｎ原子和Ｓｅ原逡逑子以锯齿形连接在一起。优化之后的体相晶胞参数为ａ＝１１．６４，ｂ＝４．２２和ｃ＝４．４９逡逑Ａ邋，这与实验值ａ＝１１．５５，ｂ＝４．１６和ｃ＝４．４５Ａ很好的吻合［２０］。相应的Ｓｎ－Ｓｅ键长分逡逑别为２．７８和２．８３Ａ邋（图３．１ａ），这与文献［３９］中报道的值相一致。为了减少缺陷与逡逑缺陷之间的相互作用，我们构建了由３６个锡原子和３６硒原子组成的１邋Ｘ３Ｘ３的超逡逑晶胞结构。通过挖去一个锡／硒原子（ＶＳｎ／ＶＳｅ）、嵌入一个锡／硒原子（Ｓｎｉ／Ｓｅｉ）或逡逑者用一个反位原子来替换一个锡／硒原子（Ｓｎｓｅ／Ｓｅｓｎ）我们引入了三种类型的本征缺逡逑陷（图３．１ｂ）。在ＹＺ平面以及ｘ方向上缺陷与缺陷之间的距离至少１１．６Ａ，这个逡逑距离足以给出一个合理的近似孤立的缺陷。此外，我们构建了一个更大的２Ｘ４Ｘ４逡逑１４逡逑

ｑ－ｑ＇逡逑图３．４ａ和３．４ｂ呈现出的是ＳｎＳｅ的６个本征缺陷分别在富锡和富硒两种不同生逡逑长条件下的形成能与费米能级的函数关系图。由于在完美晶体ＳｎＳｅ中Ｓｎ和Ｓｅ分逡逑别以－２和２的价态存在，所以我们考虑的带电缺陷的电荷态也是从－２到２。对于空逡逑位缺陷，从图中我们可以很容易地发现，电荷态为－２的ＶＳｎ的形成能在所有的本征逡逑缺陷中最低。另外，ＶＳｎ具有一个非常接近于ＶＢＭ的超浅跃迁能级￡（０／２－），表明逡逑ＶＳｎ可以作为浅受主缺陷并将贡献于ＳｎＳｅ的Ｐ型传导。无论是富锡还是富硒的条件逡逑下，随着载流子浓度的增加，费米能级都将向下移动，然后停留在锡空位ＶＳｎ邋（ｇ＝２－）逡逑与硒空位ＶＳｅ化＝０或ｇ＝＋ｌ）之间的交叉点（图３．４）。事实上，锡空位ＶＳｎ的热力学逡逑稳定性在富硒条件下更占优势，因此这样的条件下更适合锡空位缺陷的！Ｈ欢

本文编号：2630615