二维材料黑磷与CN2输运性质的研究

发布时间：2020-07-03 01:36

【摘要】：随着科学技术的不断发展与进步,各种各样的电子设备进入到人们的工作学习生活当中,以此同时,我们对于制造电子设备的各种电子器件的要求也越来越苛刻,在希望能够实现更低的功耗,更快的运行速率的同时,还要求电子器件的规模能够越来越集成化。面对这些要求,目前被广泛使用的硅材料开始捉襟见肘了。因此,近些年来,众多科研工作者开始在物理和化学领域寻找能够代替硅材料的新材料。2004年,石墨烯的成功制备,一度被人们认为极有可能取代现在被广泛使用的硅材料,能够成为未来纳米电子器件制备的首选材料。但是石墨烯没有带隙的特性,使其不能用来制作高性能、低功率的电子设备。于是,人们开始把眼光放在被新发现的二维纳米材料黑磷以及其他材料之上。本文主要研究了黑磷以及五角形CN2纳米带结构的能带结构和电子输运性质。首先,我们从理论上面对单层黑磷上施加静电势垒时的输运性质做了研究计算。根据研究结果,我们发现入射电子在通过n-n-n结和n-p-n结时,由于中间的静电势垒区域里面存在准束缚态,所以透射系数是一个关于入射角度、单层静电势垒的高度以及入射电子所携带的入射能的振荡函数。沿黑磷材料不同方向的输运,电子透射的临界角度也是不同的,并且在电子的入射角度大于临界角时,电子的隧穿是被禁止的。同时,在输运过程中出现的共振峰的和数量取决于输运方向。材料中电导在不同的输运方向上也表现出强烈的各向异性,电导中的间隙宽度会随着静电势垒的高度增加而增加,这个性质为我们提供了一个控制单层黑磷结构输运性质的有效方式。然后,我们系统的研究了五角形CN2纳米带电子性质。我们发现五角形CN2纳米带是一种自旋极化的半导体材料,并且纳米带的边缘态由上下边缘的两条CN链来控制。对纳米带边缘进行氢原子和氟原子的吸附饱和时,会使得纳米带的能带结构发生自旋简并,并且使纳米带的能隙进一步扩大,使得五角形CN2纳米带由半导体材料转变成绝缘体材料,并且材料结构也能够更加稳定。对纳米带施加外部电场和拉伸应变,对纳米带的能带结构可以起到一个调节作用,使得能带带隙逐步减少。当施加的外部电场增加到一定程度,会使得纳米带从半导体材料转变成金属材料。五角形CN2纳米带的这个特性,为我们提供了一个非常有效的方法来控制五角形CN2纳米带的输运。总结来说,在本文中我们系统地研究了黑磷材料和五角形CN2纳米带的各种电子性质,为以后的纳米电子器件的设计提供了理论基础。
【学位授予单位】：长沙理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN04;TB383.1
【图文】：

键长,中磷,俯视图,材料

２．邋２模型与计算方法逡逑在这一小节中，我们介绍有效的紧束缚近似模型的哈密顿量和ｋ．ｐ哈密顿量函逡逑数以及黑磷材料在单层势垒作用下计算输运性质和电导的方法。如图２．１邋（ａ）所逡逑示，在黑磷材料的俯视图中，ａｌ邋＝３．３２邋Ａ和ａ２邋＝邋４．４８邋Ａ表示的是原始矢量，ａ邋＝邋２．２２逡逑Ａ和０＝９６．７６°表示的是面内的键长以及键角［９３］。在黑磷材料中，一个单胞包含四逡逑个原子（见图中用黑实线框出来的矩形），下层有两个磷原子，上层有两个磷原逡逑子。在黑磷材料当中，如图２．１邋（ｄ）所示，我们能够更清楚的看见磷原子并不是逡逑排列成完全平面的晶格结构，而是形成了上下两层的原子结构，并且黑磷晶体会逡逑形成一个起皱的蜂窝状晶格结构。逡逑‘ｔ，逦．逦＼、：Ｊ‘逦ｄ邋Ｉ邋－．．＜Ｊ邋卜。。逡逑＜Ｃ＞＾逡逑图２．１：邋（ａ）黑磷材料中磷原子的俯视图，ａ邋＝邋２．２２邋Ａ邋（０＝９６．７６°）是平面内的键长（角逡逑度）

分布情况,模型势,阴影区域,单层

图２．２．单层黑磷上单个势垒几何结构的示意图，阴影区域表示电极下方的区域，下面的小图描逡逑述了该模型势垒的分布情况。逡逑如图２．２所示，我们在单层黑磷上施加了静电势垒，可以通过改变施加的电逡逑压来调节静电电位的大小。单层黑磷ｒ点周围的低能物理量可以用各向异性双频逡逑带ｋ．ｐ模型来很好的描述描述，得到的哈密顿量模型如下：逡逑（Ｅｃ邋＋邋Ｖｊ邋＋邋ａｋ２ｘ邋＋逦ｙｋｘ逦＼逡逑＼逦Ｙｋｘ逦Ｅｖ邋＋１／；－邋－邋Ｘｋｌ邋－邋ｒｊｋ２ｙ）逡逑１９逡逑

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