层状黑磷材料的缺陷表征和基于电子束的新结构加工

发布时间：2020-04-29 16:20

【摘要】：自石墨烯发现以来,二维层状材料由于其特殊的结构及优异的物理特性受到广泛的关注。黑磷是继过渡族金属硫族化合物及六方氮化硼等类石墨烯材料后发现的一种新型二维层状材料。作为一种直接带隙半导体,黑磷拥有较高的迁移率及优异的开关比性能,在电子光学器件中有广泛的应用前景。对于二维材料体系而言,其物理性能很大程度上取决于其微观结构。由此,本文中利用球差校正电子显微镜,对黑磷中的一维原子链,纳米带,边缘重构及缺陷等纳米结构进行了系统的表征与分析,具体研究内容如下:本文中采用了一种全干法转移的方式将机械剥离所得少层黑磷样品转移到加热芯片上,并发展了一种在电子显微镜中利用电子束辐照及原位加热退火相结合的方法,将样品制备过程中残留在黑磷表面的非晶污染物去除,局部暴露出干净的黑磷表面。通过加热,逐层减薄黑磷样品,在一定程度上可以得到层数可控的黑磷样品,包括单层黑磷烯,为实现原子级尺度表征黑磷打下基础。在多层黑磷的原位减薄的过程中,首次在实验上得到一维磷原子链结构,并观察到其形成,迁移及断裂等动力学过程。结合第一性原理计算,给出了八种可能的无限磷原子链结构模型,并讨论了其相对稳定性。在单层黑磷烯中,利用电子束辐照得到悬空的磷原子链结构,通过对比实验像与模拟像确认了其armchair双链构型,并猜测了 一种可能的由原始黑磷晶格向磷原子双链转变的过程。在单层黑磷烯中,利用电子束辐照制备出拥有不同宽度及边缘取向的纳米带的结构。原子级尺度表征了黑磷烯的边缘重构及磷原子在边缘处的迁移过程,发现在黑磷Klein边缘处,悬挂磷原子呈现二聚化特征。结合第一性原理计算给出五种可能的边缘构型及其形成能,初步讨论了各种边缘结构的稳定性。在少层及单层黑磷中,表征了空位及空位链的形成与迁移过程。在单层黑磷烯中观察到585-A双空位的形成及迁移过程,利用第一性原理计算给出其沿zigzag方向及对角线方向的迁移路径及迁移势垒,分别为2.1 eV及1.6 eV。此外,黑磷中的空位倾向于沿zigzag方向线性排列,形成空位链结构,其最小单元由四个磷原子空位组成,沿zigzag方向可不断增长,最长可达几十纳米。当空位链长度较短(5nm)时,可以沿armchair或对角线方向迁移。最后,对本文中黑磷中缺陷结构的表征及新结构加工进行总结,并分析不足,对未来工作进行展望。
【图文】：

由于受到制备技术等诸多因素的限制，有关石墨烯材料的研究并没有取得显著逡逑的进展，２００４年，Ｋｏｎｓｔａｎｔｉｎ邋Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ和Ａｎｄｒｅ邋Ｇｅｉｍ等丨２＜）］人首次在实验上通逡逑过机械剥离的方法获得了大面积的独立石墨烯材料，如图１．２所示，并发现该材逡逑料具有优良的电学性能，至此，大量理论与实验的研究不断涌现，开创了石墨逡逑烯研究的新篇章。逡逑＾逦Ｅ逡逑Ｉ逦：一］逡逑Ｉ逡逑图１．２机械剥离制备的大面积石墨烯及其电学测试器件［２ＱＪ。逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｆｅｗ邋ｌａｙｅｒ邋Ｇｒａｐｈｅｎｅ邋ｏｂｔａｉｎｅｄ邋ｂｙ邋ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ邋ｅｘｆｏｌｉａｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｃｏｒｒｅｓｏｐｉｎｄｉｎｇ邋ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ逡逑ｔｅｓｔ邋ｄｅｖｉｃｅｌ２０Ｊ．逡逑如图１．３所示，以单层石墨烯为例，其晶体结构为蜂窝状六方点阵结构，层逡逑内所有Ｃ原子集中在一个二维平面内，每个Ｃ原子的外层的三个电子以ｓｐ２杂逡逑化的形式与周围的三个碳原子形成平面内的ｃｒ键，Ｃ－Ｃ键长约为０．１４２邋ｎｍ，同时逡逑剩余的ｐ轨道电子在垂直于平面的方向形成大７Ｔ共轭结构。对于石墨烯材料，逡逑层与层之间主要靠范德瓦耳斯作用力结合，层间距约为０．３３５邋ｎｍ。对于理想的逡逑石墨烯材料，价带顶与导带底只在狄拉克点相交，因此是零带隙的半金属材料。逡逑在第一布里渊区内

由于受到制备技术等诸多因素的限制，有关石墨烯材料的研究并没有取得显著逡逑的进展，２００４年，Ｋｏｎｓｔａｎｔｉｎ邋Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ和Ａｎｄｒｅ邋Ｇｅｉｍ等丨２＜）］人首次在实验上通逡逑过机械剥离的方法获得了大面积的独立石墨烯材料，如图１．２所示，并发现该材逡逑料具有优良的电学性能，至此，大量理论与实验的研究不断涌现，开创了石墨逡逑烯研究的新篇章。逡逑＾逦Ｅ逡逑Ｉ逦：一］逡逑Ｉ逡逑图１．２机械剥离制备的大面积石墨烯及其电学测试器件［２ＱＪ。逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．２邋Ｆｅｗ邋ｌａｙｅｒ邋Ｇｒａｐｈｅｎｅ邋ｏｂｔａｉｎｅｄ邋ｂｙ邋ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ邋ｅｘｆｏｌｉａｔｉｏｎ邋ａｎｄ邋ｃｏｒｒｅｓｏｐｉｎｄｉｎｇ邋ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ逡逑ｔｅｓｔ邋ｄｅｖｉｃｅｌ２０Ｊ．逡逑如图１．３所示，以单层石墨烯为例，其晶体结构为蜂窝状六方点阵结构，层逡逑内所有Ｃ原子集中在一个二维平面内，每个Ｃ原子的外层的三个电子以ｓｐ２杂逡逑化的形式与周围的三个碳原子形成平面内的ｃｒ键，，Ｃ－Ｃ键长约为０．１４２邋ｎｍ，同时逡逑剩余的ｐ轨道电子在垂直于平面的方向形成大７Ｔ共轭结构。对于石墨烯材料，逡逑层与层之间主要靠范德瓦耳斯作用力结合，层间距约为０．３３５邋ｎｍ。对于理想的逡逑石墨烯材料，价带顶与导带底只在狄拉克点相交，因此是零带隙的半金属材料。逡逑在第一布里渊区内
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ126.31

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本文编号：2644762