磷烯器件中光电流的应变调控和边界磁性

发布时间：2021-06-24 11:08

　　磷烯是一种新兴的二维材料,是磷原子通过共价键形成的褶皱蜂窝状结构。磷烯具有可调的直接带隙和高度各向异性的能带结构,在光学和光电子学领域具有潜在的应用价值。本文基于第一性原理计算,研究了磷烯器件中光电流的应变调控和磷烯纳米带的边界磁性。（1）针对磷烯纳米带,研究了结构弛豫对边界磁性和能带结构的影响。对直接从磷烯晶体结构剪裁得到的纳米带,计算表明,边界原子处于双边铁磁但对边反铁磁的状态（FM-A态）时,系统能量最低。扶手椅边界的纳米带表现为金属,锯齿形边界的纳米带表现为间接带隙的半导体。随着宽度的增加,边界磁性逐渐消失。对完全结构弛豫后的磷烯纳米带,计算表明,扶手椅边界的纳米带没有边界磁性且表现为间接带隙的半导体,锯齿形边界的纳米带只在某个特定的宽度存在FM-A态。相比之下,结构弛豫对石墨烯纳米带的边界磁性和能带结构影响较小。（2）针对线偏振光垂直照射的二端磷烯器件,研究了光电流的应变调控。在光照区的一部分施加垂直于磷烯平面的门电压,破坏体系的空间反演对称,获得在源-漏偏压为零时的光电流。我们采用基于密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的方法计算这种光致电流。在无应变的体系中,光电流具有高度... 

【文章来源】：浙江师范大学浙江省

【文章页数】：51 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

左图为黑磷块体的晶体结构[28]，右图为磷烯的晶体结构(俯视图和侧视图)[29]

磷烯器件中光电流的应变调控和边界磁性由单层磷原子通过范德瓦尔斯力一层一层结合起来的[1,2]。磷烯晶体结构如图1.1右图所示，存在着像石墨烯那般的六角格子结构。但是，这些磷原子的位置与石墨烯不同，它们并不在同一平面内，而是一个磷原子和周围的三个磷原子通过sp3杂化得到的褶皱起伏的结构[26]。磷烯的元胞是矩形。一个元胞包含4个磷原子，它们平均分布在上下两个亚层。磷烯有两种特殊的晶向：锯齿形(zigzag)和扶手椅型(armchair)晶向。沿着armchair方向，磷原子交替出现在上下亚层，排列成扶手椅形。沿着zigzag方向，磷原子出现在同一个亚层，排列成锯齿形。因为armchair与zigzag方向原子排布的不同，所以磷烯的能带结构具有各向异性的特点，从而导致它的电学和光电性质有比较强的各向异性[17,27]。1.1.2磷烯的力学学性质图1.2:(a)(b)电子和空穴的有效质量随armchair方向的应变强度的变化。（c)(d)电子和空穴的有效质量随zigzag方向的应变强度的变化[42]。2

磷烯器件中光电流的应变调控和边界磁性图1.3:(a)装置示意图和测量电路图，(b)恒功率时响应率和激光波长的关系，(c)响应率和功率的关系，(d)光电流随时间的变化[46]。1.2磷烯纳米带带磁性的尺寸效应我们知道二维材料不可能无限大，需要研究材料在有限尺寸下的特性[51]。通常研究材料的尺寸效应的一种简单方法是让其在一个方向上足够大(具有周期性)，另一个方向上有限宽，也就是常见的纳米带结构。图1.4给出了边缘磷原子排列成锯齿状的磷烯纳米带，它的宽度n定义为平行纳米带方向磷原子的列数。根据之前的研究结果[52]，具有锯齿形边界的磷烯纳米带在自旋极化条件下表现出磁性。磷烯纳米带在铁磁和反铁磁状态下的能量均比在顺磁状态的能量低。对于宽度为n=12的纳米带而言，反铁磁态的能量比铁磁态的能量低12meV/atom左右，铁磁和反铁磁态的能量差随着宽度的增加而减小，磁性在宽度达到28时消失了。分析其原因，是因为随着宽度的增加，纳米带两侧的磷原子自旋耦合减弱。文献[52]的计算没有考虑纳米带的结构驰豫。在真空中结构稳定的磷烯纳米带是否具有磁性？当缩小宽度时，磷烯纳米带的边缘磁4

【参考文献】：
期刊论文
[1]边缘修饰对石墨烯纳米带电子和磁性性质的影响[J]. 李欢欢,彭川黔,刘强.  重庆理工大学学报(自然科学). 2014(07)



本文编号：3246981