二维多相砷烯和锑烯电子性质以及纳米合金相图的第一性原理研究

发布时间：2020-04-25 01:54

【摘要】：纳米材料的研究与发展日新月异,借助先进的实验测试设备以及计算机模拟技术,人们对纳米世界的探索越来越深入。由于尺寸效应,纳米材料具有寻常块体材料所没有的优异的物理和化学性质,因而极具研究价值。本论文基于第一性原理,对纳米材料领域中的两个热点话题进行探索。一是纳米材料中二维材料砷烯和锑烯电子性质的调制;二是具有尺寸效应的纳米合金相图绘制。一、作为纳米材料中的新分支,二维材料因其具有优良的物理和化学性质以及潜在的应用前景而备受瞩目。V族二维材料是具有非零能隙的层状半导体,且相结构也具有多样性。磷烯在室温下的稳定性阻碍了它在电子器件中的应用,同族的砷烯和锑烯则具有良好的稳定性。目前对砷烯和锑烯的主要研究热点是其间接能隙的调制,以及它们与其它层状材料的界面相互作用上。基于目前的研究现状,本文第一部分的工作由以下三方面开展:(1)二维材料砷烯和锑烯的理论预测,更加扩充了微纳米电子器件制造领域。然而,其间接能隙却阻碍其在实际应用中的步伐。在本论文中,我们采用第一性原理密度泛函理论进行基于砷烯和锑烯的二维单层As_xSb_y合金结构的设计,其合金相结构考虑了α和β两种。计算表明,无论是α还是β相的单层As_xSb_y合金,在某特定组分范围,都显示出了直接能隙的特性。此外,具有直接能隙的二维合金还表现出有效质量较低的特点,由此在实际应用中将会提高电子器件的效率。值得注意的是,在α相的合金中,当5≤y≤9时,合金的电子和空穴有效质量均低于二维单层磷烯。因此,我们对As_xSb_y合金结构的研究不仅仅为二维合金领域注入新活力,并且绘制了此合金在未来微纳电子器件中潜在应用的蓝图。(2)V族元素形成的二维层状材料具有半导体性质,是一类被寄希望于在实际电子器件中应用的一类新兴二维材料。因为层状材料在实际器件的制备中都要依托于衬底的支撑,因而对其表面性质的研究尤为重要。在本工作中,拟基于密度泛函理论对层状砷烯和锑烯表面能与层数之间的关系进行一系列详细的研究。结果表明表面能的变化趋势对体系的结构有很大的依赖性。在β相结构中,表面能随着层数的增加而增加,且在层数厚达五层后,表面能的值开始保持不变;而对于α相结构,表面能并不随层厚的变化而变化。鉴于计算得到的α相和β相的表面能极为相近,可以推测实验中α相结构存在的可能性。本工作为未来基于砷烯和锑烯的器件制备奠定了坚实的理论基础。(3)得益于p-n结中高效率的p型或n型掺杂,以及可调控的载流子类型和浓度,以砷烯为基的电子器件具有潜在的应用前景,诸如晶体管和光电探测器。在本工作中,将利用第一原理计算对S/O相单层砷烯吸附不同有机小分子体系的电子性质进行分析和讨论。研究表明,对于有机分子的种类进行控制,可有效得到不同的掺杂类型。有机分子掺杂后的S/O相单层砷烯,仍然保持直接能隙的性质,且能隙值因掺杂而变化极小。在TTF掺杂As中,呈现典型的n型掺杂,而TCNE/As和F4-TCNQ/As则显示出典型的p型掺杂。对于TTF/As和TCNE/As体系,吸附位对结构能隙以及电离能影响不大,而F4-TCNQ/As中吸附位变化带来的影响比较显著。在F4-TCNQ/As体系中电离能较小,载流子易电离且对能带中的载流子数目影响很大。因此,借助有机分子的掺杂,有望实现制造以S/O相砷烯为基的p-n结。二、明确合金的温度-成分相图,在实际的工业应用中是刚需。然而,由于纳米尺寸合金在很多情况下的亚稳性,导致通过实验测绘其相图的方式仍然难以实现。在本工作中,基于第一原理分子动力学模拟与热力学模型公式相配合,实现推测大块及纳米尺寸合金相图的目的。首先通过分子动力学模拟确定大块模型中的原子交互作用能;其次利用统一的热力学模型公式计算出纳米尺寸下合金的熔化焓、熔点以及原子交互作用能;最后,通过以上参数计算出纳米尺寸下的相图。本工作的计算以具有代表性的Au-Ag合金为例。通过计算发现,计算所得的交互作用能与实验值相近,证明了计算方法的可行性。在尺寸效应上,随着尺寸下降到纳米量级,熔化焓、熔点和交互作用能都随尺寸的减小而减小,且液相线和固相线之间的两相区也随着尺寸的下降而下降。本工作所构造的二元合金计算方法有望应用于其它匀晶纳米合金相图的预测中,为纳米合金的合成与制备提供便利。
【图文】：

二维材料,热电器件,气体探测器,潜在应用

正如理论工作对砷稀和锑稀的首次预测中所提到的，两种大的能隙，理想的结构稳定性和高载流子迁移率[41,65]。在此之后预测工作纷纷揭示了 V 族二维材料的各方面性质[66-72]。理论所预层结构可以通过机械剥离、液相剥离、等离子体协助过程、气相外延等手段制备[73-83]。如理论预测所给出的结果那样，V 族二维材料具有较适合的能隙稳定性，因而跻身于电子、光电子、自旋电子以及热电子器件的如图 1.1[84-88]。进一步进行 V 族二维材料的探索不仅仅会扩充低也会促进更多实验技术上的发展[57,88,89]。从目前的研究中可以看材料可以弥补石墨烯和其它低维材料某些性能的不足，从而在纳立了新的研究分支[90,91]。

结构弛豫,δ相,单层结构,γ相

层磷烯的场效应晶体管对气体 NO2的气体传感，研究发现气体吸附前后拉曼光谱的峰值无明显变化，表明了吸附后结构的稳定性，，磷烯传感器对 NO2浓度的检测灵敏度为 5 ppb，且经过测试表明 NO2可以顺利的进行吸附和解吸附[116]。由于砷烯和锑烯进入大众视野时间较短，因而对其在传感器方面的应用研究工作暂时才发展到理论预测阶段。第一性原理计算表明砷烯对氮基气体分子具有较高的灵敏性，这与磷烯很类似[116]。对单层锑烯的计算表明，其对 N2、CO2、O2、H2O 和 CO 为弱吸附，而对有毒气体 NH3、SO2和 NO 则显示出强吸附的结果[120]。因而单层锑烯有望被应用于气体污染物的检测设备中。1.2.2 V 族二维材料的相构型V 族二维层状材料的结构表现出多样性，且都为半导体。对于磷烯，存在黑磷、蓝磷、红磷等相构型，如图 1.2 所示[91,121,122]。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1

【参考文献】