黑磷纳米带的电子能态及双光子吸收性质的理论研究

发布时间：2020-11-01 06:42

　　 近年来,对黑磷及过渡金属硫化物等二维层状结构的研究逐渐兴起。作为磷的三种同素异形体中最稳定的黑磷,原子排列呈现出单层波纹状结构,是一种典型的直接带隙半导体材料。黑磷的禁带宽度可从0.3eV调节到2eV,因而在可见光波段有较好的非线性光学响应,正好填补了零带隙的石墨烯和较宽带隙的过渡金属硫化物之间的空白。目前,对于黑磷相关低维材料非线性光学性质及响应的实验研究已有很多报道,但是对其非线性光学的理论研究还比较欠缺。本文主要以紧束缚模型为基础,采用长波近似方法研究了单层黑磷纳米带的能带结构和电子能态;并在此基础上,采用二阶微扰理论推导出单层扶手型黑磷纳米带的双光子吸收系数的表达式,获得了电子的跃迁选择定则。使用Matlab R2010b计算软件,对不同边界结构的黑磷纳米带的电子能态以及扶手型黑磷纳米带的双光子吸收谱进行数值计算和模拟;分析纳米带宽度和边界对黑磷纳米带电子能态的影响,以及纳米带宽度和电子激发态弛豫能等参数对扶手型黑磷纳米带双子吸收系数的影响。研究表明:(1)单层黑磷纳米带的电子能带结构一个方向上呈类抛物线连续态,另一个方向呈离散态;电子能带结构随着纳米带宽度的增大,电子能谱线曲率增大,能级之间的间隔减小,载流子的能态密度增大,带隙变窄;不论何种带边结构,其价带能级和导带能级有不同程度的对称;对于锯齿型边界结构的电子能态,存在一个边缘态能级。(2)在单层扶手型黑磷纳米带的各种跃迁双光子吸收现象中,带内跃迁占主导地位;单层扶手型黑磷纳米带在可见光区具有较大的双光子吸收系数,大小约为10~(-6)m/W,比传统半导体量子点的双光子吸收系数大4个数量级;单层扶手型黑磷纳米带在红外波段存在一个巨大的双光子吸收系数,可以达到10~(-1)m/W;纳米带宽度和电子激发态弛豫能对调节扶手型黑磷纳米带的双光子吸收系数起着很大的作用。本文的研究结果为黑磷的实验工作提供理论方向的参考,对非线性光学和光电器件等实际应用提供了指导意义。
【学位单位】：云南师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN304
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 黑磷的发现
    1.2 黑磷的制备
        1.2.1 机械剥离
        1.2.2 液相剥离
        1.2.3 电化学法
        1.2.4 等离子刻蚀
        1.2.5 化学气相输运
    1.3 黑磷的性质
        1.3.1 载流子迁移率和开关比
        1.3.2 可调带隙
        1.3.3 各向异性
        1.3.4 生物相容性
        1.3.5 非线性光学性质
    1.4 黑磷的应用
        1.4.1 在光电方面的应用
        1.4.2 在储能方面的应用
        1.4.3 场效应晶体管
        1.4.4 光电元件
        1.4.5 湿度和气体传感器
        1.4.6 生物医学应用
    1.5 黑磷纳米带
    1.6 黑磷量子点
    1.7 本文的主要研究内容
第2章 单层黑磷电子能态结构计算方法
    2.1 紧束缚模型
        2.1.1 四带紧束缚模型
        2.1.2 约化二能带紧束缚模型
        2.1.3 低能模型
        2.1.4 准平坦带
        2.1.5 边缘态的波函数和能谱
    2.2 低能哈密顿量下单层黑磷在Г点附近的电子能态
        2.2.1 连续近似
        2.2.2 有效质量近似
        2.2.3 朗道能级
    2.3 连续近似求解不同边界结构黑磷纳米电子能态结构
第3章 黑磷纳米带的电子能态
    3.1 扶手型边界条件下的电子能态
        3.1.1 理论模型和计算
        3.1.2 计算结果与讨论
    3.2 锯齿型边界条件下的电子能态
        3.2.1 理论模型和计算
        3.2.2 计算结果及讨论
    3.3 边界对黑磷纳米带带隙的影响
        3.3.1 理论模拟与计算
        3.3.2 计算结果与讨论
    3.4 本章小结
第4章 扶手型黑磷纳米带的双光子吸收性质
    4.1 双光子吸收理论计算
    4.2 扶手型黑磷纳米带双光子吸收性质
    4.3 计算结果与讨论
        4.3.1 扶手型黑磷纳米带双光子吸收系数
        4.3.2 尺寸相关扶手型黑磷纳米带的双光子吸收
        4.3.3 影响扶手型黑磷纳米带双光吸收系数的其他物理量
    4.4 本章小结
第5章 总结与展望
    5.1 总结
    5.2 展望
参考文献
攻读硕士期间发表的论文和科研成果
致谢

【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 李丽;杨合情;马军虎;贾殿赠;;图案化锥形氧化锌纳米带的原位热氧化法制备与发光性质[J];无机化学学报;2012年01期

2 马友美;杨小平;贾晓龙;国丽娟;;简易、可控制备硫化铅纳米带(英文)[J];应用化学;2012年05期

3 王彦敏;郝秀红;解辉;;单晶铋纳米带的制备与生长机制研究[J];山东交通学院学报;2012年04期

4 袁颂东;曹小艳;王小波;石彪;汪金方;;掺银二氧化钛纳米带的制备及其光催化性能研究[J];材料工程;2009年10期

5 黄岚;张宇;郭志睿;顾宁;;半胱氨酸诱导金纳米带室温合成[J];科学通报;2008年20期

6 卢会清;高红;张锷;张喜田;;铟掺杂的氧化锌纳米带的制备和发光特性[J];人工晶体学报;2008年02期

7 黄在银;;TiO_2纳米带的水热合成表征及光催化性能[J];广西民族学院学报(自然科学版);2005年04期

8 王积森,孙金全,鲍英,边秀房;氧化锰纳米带的合成研究[J];山东科技大学学报(自然科学版);2003年02期

9 王卫东;李龙龙;杨晨光;李明林;;单层二硫化钼纳米带弛豫性能的分子动力学研究[J];物理学报;2016年16期

10 ;金属铋纳米带二维金属表面态研究获进展[J];中国粉体工业;2014年04期

相关博士学位论文 前10条

1 张婧;第Ⅲ,Ⅳ主族层状半导体电子及光学性质的第一性原理研究[D];吉林大学;2018年

2 魏湫龙;钒基纳米材料的设计构筑、电化学储能与机制[D];武汉理工大学;2016年

3 朱柏生;金属卤素钙钛矿发光材料的制备及其性能研究[D];中国科学技术大学;2019年

4 赵奚誉;基于电化学储能与转化的石墨烯纳米带复合材料的研究[D];重庆大学;2018年

5 陈文潮;六角晶格纳米带的磁性调控[D];南京大学;2017年

6 赵旭;金属基纳米材料的原子尺度设计及其电催化性能研究[D];中国科学技术大学;2018年

7 罗艳伟;几种新型低维材料结构及性能的第一性原理研究[D];郑州大学;2018年

8 于进;二维材料及其纳米结构的力电磁耦合特性[D];南京航空航天大学;2015年

9 宋玉玲;硅纳米带及氟饱和氮化铝纳米带的第一性原理研究[D];陕西师范大学;2012年

10 王彦敏;氧化钛基纳米带的改性及应用研究[D];山东大学;2009年

相关硕士学位论文 前10条

1 刘艳青;具有类Dirac锥结构的二维材料输运性质的研究[D];新疆大学;2019年

2 高仁斌;基于DNA碱基及边态氧化调制的石墨烯纳米带的热电机理研究[D];中南林业科技大学;2019年

3 李蕊;两种典型二维材料GeP_3和CrI_3的纳米带电子特性及调控的理论研究[D];河南大学;2019年

4 张卫涛;双层石墨烯纳米带电磁性质的第一性原理研究[D];西安科技大学;2019年

5 晏卫卫;C5N石墨烯纳米带超高电导特性研究[D];电子科技大学;2019年

6 刘宇;黑磷纳米带的电子能态及双光子吸收性质的理论研究[D];云南师范大学;2019年

7 李一博;黑磷纳米带磁性诱导及调控的第一性原理研究[D];郑州大学;2019年

8 曹月影;多肽与表面活性剂混合体系共组装性质的研究[D];中国石油大学(华东);2017年

9 李婉青;氧化物半导体纳米材料的制备及其光电化学性质的研究[D];安徽大学;2019年

10 王学胜;基于蒙特卡洛模拟研究石墨烯纳米带物性[D];沈阳工业大学;2019年

本文编号：2865165