二维半导体材料迁移率的第一性原理研究

发布时间：2017-09-04 19:21

  本文关键词：二维半导体材料迁移率的第一性原理研究

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【摘要】：基于形变势理论,本文将声学声子、光学声子以及压电效应(1H结构)对载流子的散射考虑在内,得到了对二维单层材料迁移率较为精准的近似模型,并以此模型对14种过渡金属二硫族化物(Transition Metal Dichalcogenides,TMD)载流子的迁移率进行了第一性原理计算。通过和实验结果的对比,本文验证了利用形变势(声学声子形变势、光学声子形变势以及压电效应形变势)近似电子-声子散射矩阵元,进而对过渡金属二硫族化物的二维层状材料的迁移率进行计算的可行性。计算结果显示,WS2在1H结构的材料中具有最高的电子迁移率和空穴迁移率,分别为:1739和2604 cm~2V~(-1)s~(-1)。在1T结构的材料中,PtSe2具有最大的理论电子迁移率,为4037 cm~2V~(-1)s~(-1),而最大的理论空穴迁移率在HfS2中,为1959 cm~2V~(-1)s~(-1)。另外一方面,WS2是具有1.99 eV带隙的直接间隙半导体,而PtSe2和HfS2则是间接带隙半导体,带隙分别为1.69 eV和1.05 eV。考虑到作为理想的半导体材料所需具备的合适带隙以及较高的载流子迁移率这两个条件,WS2和PtSe2很有成为具备优良性能的n型二维半导体的可能,而WS2和HfS2则具备成为p型二维半导体的潜力,而其余的11种材料中不可能成为具有高迁移率的二维半导体材料。本文所用的计算方法,可以推广运用到所有的二维材料上。相比于Kaasbjerg和Kim等人通过直接处理电子-声子相互作用矩阵元而计算迁移率的方法,本文中所用的计算方法所需计算资源小,所耗计算时间短,仅需要完成能带计算和初步声子计算等几个小步骤,符合材料基因组的基本思想,有利于对大量材料进行快速筛选。此外,本文还对范德华力在类似于PtSe2这种层间为长程相互作用的材料由单层到块体过渡的过程中所起的作用做了详细的分析。对比Z.Zhu和Swastibrata Bhattacharyya等人关于应变对多层二维材料性质的影响,本文得到如下结论:层状材料由单层向块体过渡的过程中范德华力的存在使得电荷从内部的非金属原子向金属原子转移,导致了面内晶格常数变大,面间晶格常数变小,进而使得导带最低点降低,价带最高点升高,带隙变小,从而产生了由单层结构到块体结构的过程中发生半导体-半金属转变的现象。
【关键词】：二维材料 形变势 迁移率 范德华力 第一性原理计算
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304.0
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 论文研究背景及意义11-12
• 1.2 二维（2D）层状材料输运特性研究现状12-19
• 1.2.1 二维层状材料12-18
• 1.2.1.1 类石墨烯平面结构材料12-15
• 1.2.1.2 非平面层状结构材料15-18
• 1.2.1.3 研究对象18
• 1.2.2 层状材料的输运特性研究现状18-19
• 1.3 本文的主要研究内容19-21
• 第二章 相关理论21-44
• 2.1 第一性原理计算21-30
• 2.1.1 密度泛函理论21-27
• 2.1.1.1 波恩奥本海默近似（绝热近似）21-22
• 2.1.1.2 单电子近似和平均场近似22-23
• 2.1.1.3 Hartree-Fock近似23-24
• 2.1.1.4 Hohenberg-Kohn定理24-25
• 2.1.1.5 Kohn-Sham方程25-27
• 2.1.2 赝势方法27-29
• 2.1.2.1 平面波基函数27-28
• 2.1.2.2 赝势28-29
• 2.1.3 PWscf软件包29-30
• 2.2 形变势理论30-38
• 2.2.1 形变势理论基础30-35
• 2.2.1.1 形变作用下的能带位移量31-32
• 2.2.1.2 电子声子相互作用下的能带位移量32-33
• 2.2.1.3 形变势最终形式33-34
• 2.2.1.4 光学形变势34-35
• 2.2.2 电子声子相互作用35-36
• 2.2.3 压电相互作用36-38
• 2.3 波尔兹曼方程与迁移率38-43
• 2.3.1 波尔兹曼方程38-40
• 2.3.2 散射几率和迁移率40-43
• 2.3.2.1 声学声子40
• 2.3.2.2 光学声子40-42
• 2.3.2.3 压电效应42
• 2.3.2.4 迁移率42-43
• 2.4 Matthiessen规则43
• 2.5 本章小结43-44
• 第三章 计算过程，，结果和讨论44-64
• 3.1 计算参数的测试和结构弛豫优化44-45
• 3.1.1 计算参数的测试44
• 3.1.2 晶体结构优化44-45
• 3.2 能带和态密度45-48
• 3.3 迁移率48-62
• 3.3.1 有效质量48-49
• 3.3.2 声速计算49-52
• 3.3.3 形变势52-59
• 3.3.3.1 声学形变势52-53
• 3.3.3.2 光学形变势53-58
• 3.3.3.3 压电形变势58-59
• 3.3.4 迁移率59-60
• 3.3.5 迁移率讨论60-62
• 3.4 本章小结62-64
• 第四章 范德华力对PtSe2的影响64-80
• 4.1 半导体-半金属转变64
• 4.2 处理范德华力的色散修正方法64-67
• 4.2.1 Jacob阶梯64-66
• 4.2.2 vdW-DFT方法66-67
• 4.3 计算结果和结论67-79
• 4.3.1 范德华力对不同层数的影响67-73
• 4.3.2 二层结构的探究73-77
• 4.3.3 半导体金属转变77-79
• 4.4 本章小结79-80
• 第五章 结论和展望80-82
• 5.1 结论80-81
• 5.2 展望81-82
• 致谢82-83
• 参考文献83-94
• 攻硕期间取得的研究成果94-95

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本文编号：793364