纤锌矿闪锌矿纳米薄膜的第一性原理研究

发布时间：2020-07-26 22:41

【摘要】：在科学技术飞速发展的今天,半导体器件越来越向小型化与高效化发展。纤锌矿和闪锌矿作为第三代半导体材料已被广泛地研究和应用,而它们的二维结构也因其所具有的独特和新奇的物理、化学和电子学性质而备受关注。本文对纤锌矿和闪锌矿纳米薄膜的几何结构与电子结构进行了理论计算研究,并探讨了电场对其的调控作用,旨在为这一系列的材料在相关领域的应用提供一些理论指导。论文研究的主要内容如下:(1)对不同层数的纤锌矿(001)面和闪锌矿(111)面超薄纳米薄膜的几何结构进行了研究。结果表明,所研究的纳米薄膜均存在一个临界层数,小于或等于临界层数时它们的结构会自发转变为类石墨结构;而大于临界层数时仍为类似块体的结构。此外研究还发现,所研究的纤锌矿薄膜的两种结构刚好对应着两种不同的性质,小于临界层数的薄膜呈半导体性质,并且带隙随层数增加而减小;大于临界层数的薄膜呈金属性,这是由于表面原子富集电荷所致。而所研究的闪锌矿薄膜则有两种不同的类型,第一类类似于纤锌矿;第二类则还有一个特殊的中间态,中间态的薄膜类似闪锌矿块体结构但表现为半导体性质。(2)在施加外电场的研究中,探讨了电场对优化后闪锌矿和纤锌矿单层薄膜的几何与电子结构调控作用。几何结构上,在施加z轴正方向的电场时,单层平面结构薄膜会随着电场强度增大变成皱褶结构,电场越大,皱褶程度越大。当电场强度相同方向相反时,它们的皱褶方向亦相反,并且成对称关系。电子结构上,它们的带隙会在电场大于某一绝对值时开始减小,并且正向电场对带隙的影响要略大于负向电场。进一步分析表明,电场改变了阳离子的s或p轨道占据,从而使得Г点的导带底下移,这些半导体的导带底最终均倾向于Г点。(3)研究了电场对多层纤锌矿薄膜的临界层数与电子结构的调控作用。结果表明,当施加于z轴负方向的电场达到一定的量级时,能够显著增加纤锌矿薄膜原有的临界层数,使得原本的类块体结构转变为类石墨结构。电子结构上,转变为类石墨结构后,体系从金属态转变为半导体态,并且表面原来富集的电荷也因结构转变而消失。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O484;TN304
【图文】：

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良好的亲水性、透光性等。MXenes 在电池、电容的应用价值[31]。其他含有过渡金属的二维材料有它3[33]和 WO3[34]等，层状双氢氧化物(LDHs)[35]，以及)[36]。中列出了现如今已知的一些典型二维材料，相信在研究和探索过程中，二维材料大家族会越来越壮大

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层二维材料在厚度降到一定程度的情况下会转化成石墨烯纳米片结构，即类似石墨层状的结构，它们每一层之间由范德瓦耳斯力结合。单层的结构也是石墨烯的六元环结构，不同的是这种六元环由 2 种元素等量组成。文章认为，发生这种转变的原因是在超薄情况下体系会发生电荷转移，体系的电荷会导致阴阳离子移动到接近一个平面，使得它们从 sp3杂化变成 sp2杂化。值得注意的是，这种转变对于每种不同的结构是有不同的临界厚度的，也就是在临界厚度之下才能够变成类石墨结构。能发生转变的薄膜包括氧化物 ZnO 和 BeO，硫化物ZnS，第 III 主族氮化物 AlN、GaN 和 InN，这些都是目前研究的比较多的几种材料，且发生结构相变后的类石墨结构具有良好的热力学性质，可以应用于多种领域。(a) (b)

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-3 实验观测到的两层 ZnO 薄膜的结构相变，图片来源于文献论和实验都证明了纤锌矿薄膜在超薄厚度下有向类石墨结构多科学工作者都研究过这种特性并发掘了其中的潜在价值。是在 2011 年美国犹他大学的刘峰教授团队发表的一篇关于文章[52]1。他们首先用理论计算论证了在晶格拉伸的条件下能薄膜材料(InN、GaN、ZnO、AlN、BeO、SiC)转变为类石墨

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