稀土掺杂过渡金属硫族化合物及其异质结构的研究
发布时间：2020-04-17 03:59
【摘要】：随着集成电路技术的不断发展,人们所研究的材料尺寸也在不断减小,以石墨烯为代表的二维纳米材料引起了研究者们的广泛关注。从单层石墨烯被成功机械剥离出来后,二维半导体材料的研究进入到一个崭新的阶段,但是由于本征石墨烯是零带隙,其开关电流比很小,为了发挥石墨烯的优良特性,需要对其带隙进行调节,但这会在一定程度削弱其他特性,并且这种调节并不容易实现。在这之后,以黑磷、过渡金属硫族化合物、六方氮化硼等为代表的新型类石墨烯二维材料引起了研究热潮,被广泛应用于各种器件。其中,过渡金属硫族化合物不仅像石墨烯一样能通过剥离得到超薄单层,并且随着其层数的降低,带隙值逐渐增大,单层结构的带隙值在1eV-2eV之间,这使得它非常合适应用于光电材料中。本文在基于密度泛函理论的广义梯度近似下,采用第一性原理平面波赝势方法,对MoSe_2和WSe_2这两种二维过渡金属硫族化合物的相关电学和光学特性进行了研究,并通过稀土元素掺杂的方法对MoSe_2和WSe_2进行了改性,探讨了稀土元素掺杂对材料特性的影响;建立了MoSe_2-WSe_2、MoSe_2-CrSe_2和WSe_2-CrSe_2三种异质结结构,分析了异质结结构、材料等因素对其电子结构、电学性质与光学性质的影响,得到的主要结论如下:(1)首先计算分析稀土元素La、Ce、Nd替位掺杂前后MoSe2和WSe2晶格参数和所受应力的变化,三种稀土元素掺杂后掺杂原子周围的原子间键长比本征结构都有所增大,键角则有所减小,变化程度与掺入的稀土元素原子和被替代原子半径差成正比,所有结构受到的应力值相对于掺杂前都有明显的增大。其次计算了掺杂前后的能带结构和态密度,发现掺杂后材料的带隙值相比本征结构明显减小并表现出P型半导体的性质,表明稀土元素掺杂都是受主型掺杂,同时材料的导电性增强。最后计算了材料的光学特性,稀土元素掺入后,在可见光和近红外区域,MoSe_2和WSe_2的吸收系数值增大,反射率值减小,同时出现红移,增强了材料在可见光和近红外光区的应用。(2)首先通过计算三种异质结不同构型的形成能得到了最稳定的原子堆叠结构。然后计算了三种异质结结构的能带和态密度,发现在构成异质结之后材料的带隙值明显降低,而且此时材料仍然保持了直接带隙的特点,有利于电子从价带到导带的跃迁,增强了材料的导电性。通过布居分布发现在这三种异质结结构内部均形成了内建电场,有助于光生电子-空穴对的分离,增强其在光电子器件上的应用。最后通过对异质结光学性质的计算发现吸收系数和光电导在可见光及近红外区均有所增强,且发生了红移,增强了其在光电设备领域的应用。
【图文】：
逑图１．１石墨烯结构图逡逑在图１．］中，二维石墨烯由正六边形组成，碳原子位于正六边形顶点处，最逡逑终形成了六角蜂巢的结构。现在，人们己经对石墨烯进行了大量的研究，并对其逡逑各类性质有了比较深入的认识。虽然石墨烯是人们通过实验制得的第一种具有单逡逑层原子结构的二维材料，且应用广泛｜｜２＃］，但石墨烯所表现出来的部分性质并不逡逑是人们所期望的，比如零带隙的电学性质，而要打开石墨烯的带隙必须以减弱其逡逑他性质为代价，这在一定程度上限制了其在电学上的应用｜１５＿｜６］。逡逑（２）
内部又是由三层原子相互堆叠构成，即Ｘ－Ｍ－Ｘ结构，其中上下层是硫族原子，逡逑中间层是过渡金属原子［２２＿２３］。以ＴＭＤＣｓ家族中的代表性材料ＭｏＳ２为例，其单逡逑层模型如图１．２所示。逡逑Ａ邋Ａ邋Ａ邋＼逦（ｂ）逡逑~栧义贤迹保驳ゲ悖停铮樱玻ǎ幔└┦油迹ǎ猓┎嗍油迹渡蚝突粕蚍直鸫恚停镌雍停釉渝义嫌捎冢裕停模茫缶哂卸嘌幕Ъ屏孔槌桑ǎ桑藻澹ㄈ嵌猿疲藻澹玻儒澹咝五义隙猿疲┖停常义澹庑味猿疲┤纸峁梗硐殖隽朔岣坏牡缪阅埽绨氲继濉㈠义辖鹗艉统继逄匦裕虼宋搜芯咳嗽惫惴旱墓刈ⅰｅ义希保玻插危裕停模茫笱绣辰瑰义辖昀矗谕饪蒲械ノ欢远裕停模茫笸度肓舜罅康难绣匙试春土α浚″义系昧撕芏啻葱滦缘某晒Ｆ渲校芯孔罟惴旱牟牧鲜牵
本文编号：2630428
【图文】：
逑图１．１石墨烯结构图逡逑在图１．］中，二维石墨烯由正六边形组成，碳原子位于正六边形顶点处，最逡逑终形成了六角蜂巢的结构。现在，人们己经对石墨烯进行了大量的研究，并对其逡逑各类性质有了比较深入的认识。虽然石墨烯是人们通过实验制得的第一种具有单逡逑层原子结构的二维材料，且应用广泛｜｜２＃］，但石墨烯所表现出来的部分性质并不逡逑是人们所期望的，比如零带隙的电学性质，而要打开石墨烯的带隙必须以减弱其逡逑他性质为代价，这在一定程度上限制了其在电学上的应用｜１５＿｜６］。逡逑（２）
内部又是由三层原子相互堆叠构成，即Ｘ－Ｍ－Ｘ结构，其中上下层是硫族原子，逡逑中间层是过渡金属原子［２２＿２３］。以ＴＭＤＣｓ家族中的代表性材料ＭｏＳ２为例，其单逡逑层模型如图１．２所示。逡逑Ａ邋Ａ邋Ａ邋＼逦（ｂ）逡逑~栧义贤迹保驳ゲ悖停铮樱玻ǎ幔└┦油迹ǎ猓┎嗍油迹渡蚝突粕蚍直鸫恚停镌雍停釉渝义嫌捎冢裕停模茫缶哂卸嘌幕Ъ屏孔槌桑ǎ桑藻澹ㄈ嵌猿疲藻澹玻儒澹咝五义隙猿疲┖停常义澹庑味猿疲┤纸峁梗硐殖隽朔岣坏牡缪阅埽绨氲继濉㈠义辖鹗艉统继逄匦裕虼宋搜芯咳嗽惫惴旱墓刈ⅰｅ义希保玻插危裕停模茫笱绣辰瑰义辖昀矗谕饪蒲械ノ欢远裕停模茫笸度肓舜罅康难绣匙试春土α浚″义系昧撕芏啻葱滦缘某晒Ｆ渲校芯孔罟惴旱牟牧鲜牵
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