新型二维硼烯的材料设计与电子结构的第一性原理研究

发布时间：2020-05-05 12:35

【摘要】：随着石墨烯的成功制备,二维材料已是凝聚态物理的一个研究热点,其中硼烯具有异常丰富的结构和性质,引起了广泛的研究兴趣。本文以六角硼格子和三角硼格子为基本框架,并以此提出几种新型的二维硼烯材料,同时基于密度泛函理论,研究并分析了这些二维材料的基本性质。主要内容有:(1)由于单层六角硼格子本身不能稳定存在,本文通过引入过渡族金属原子修饰六角硼格子来提高体系的稳定性,获得了在动力学和热力学上都稳定的单层六角硼烯体系:FeB_2、TiB_2和HfB_2,并计算了它们的电子结构。结果表明,三者均为狄拉克材料,不过狄拉克锥的能带结构并不来源于六角硼格子,而是以金属原子的d轨道所主导;这与通常的狄拉克材料有着较大的差异。目前已被报道的狄拉克锥大多来源于主族原子的p轨道,而本文的狄拉克锥有着完全不同的来源。(2)通过推广有金属原子修饰的单层六角硼烯的设计思想,将过渡金属层置于两层六角硼格子之间以同时修饰上下两层硼格子,我们得到了三种夹层六角硼烯:CrB_4、MoB_4和WB_4,并通过声子谱和分子动力学计算论证了它们的稳定性。针对它们的电子结构的计算表明,三者的能带都具有狄拉克锥的特点,而且它们都比较少见地具有两个不等价的狄拉克锥。与单层六角硼烯体系不同的是,夹层六角硼烯的双锥既有金属原子d轨道的贡献,同时又有六角硼格子p轨道的贡献。(3)鉴于三角硼格子自身也不能稳定存在,我们通过引入合适的非金属修饰原子以稳定三角硼格子体系。本文使用H原子修饰三角硼格子上的部分原子,得到了稳定的B_3H体系;使用O原子作为桥联原子同时修饰上下两层三角硼格子,得到了稳定的B_6O体系。电子结构计算的结果表明,B_3H体系在K点处存在一个狄拉克锥,而B_6O体系在K点处具有两个狄拉克锥。B_6O体系能带中的双锥分别位于费米面的两侧,由两锥延伸出的能带相交于费米面附近,在费米面上形成了一条闭合的连续曲线,这说明B_6O体系具有节线半金属的性质。值得注意的是,关于B_3H和B_6O体系狄拉克锥的来源,既有未被修饰的B原子pz轨道的贡献,也有已被修饰的B原子的px和py轨道的贡献。(4)为实验制备提供参考,本文分别计算了生长在SiC基底上的FeB_2、TiB_2、HfB_2、MoB_4和WB_4以及生长在AlN基底上的CrB_4、B_3H和B_6O的电子结构。结果表明,基底没有破坏这些硼烯体系本征的能带结构特征,原有狄拉克锥依然存在;结合形成能与原子间距分析,可判断出硼烯与基底间基本上是以范德瓦尔斯力结合,形成物理吸附。
【图文】：

能带结构,石墨,晶体结构

图 1-1 石墨烯的晶体结构和能带结构[40]：(a)晶体结构示意图，(b)含有狄拉克锥的立体能带结构图，(c)能带结构平面图 (积分路径为 G-M-K-G)但是，，当石墨烯应用在半导体微电子领域时，尽管迁移率极高，但是其带隙过小(约 10-6eV)，该材料在常温下只需热激发就能导电，极不利于构建晶体管等微电子器件，这对石墨烯的应用造成很大的局限性。因此，为了突破这种局限性，一方面，科研工作者们试图通过掺杂、应力、原子或基团修饰等多种[41-43]

示意图,块体,晶体结构

并且会发生谷间自旋耦合，这一奇特的性质有利于其在光电器件、微电子器件上的应用[49-50]。图1-2(c)(d)为单层 MoS2场效应管(FET)的示意图，单层 MoS2作为半导体通道连接着漏极和源极，并借助二氧化硅的绝缘层与金电极分开，通过调控栅极电压来控制半导体的导电沟道进而影响栅源回路间的电流。现如今，许多实验室都已成功制备出了单层 MoS2场效应管，经过实际测试，这些 FET 设备能够达到 107的开关比，并且具有较低的压阈值摆幅[51]。在光电器件方面，相比于间隙半导体，直隙半导体可以直接发射或是吸收能量高于带隙能量的光子，而不需要考虑电子动量差的补偿，因此比间隙半导体有着绝对的优势，而许多的 TMDs 由块体过渡到单层时能带都会由间隙转变为直隙[52]。作为光电探测器，片层 TMDs在红外到紫外的光谱范围内具有较高的响应速率，而且不同层数堆叠的 MoS2能带结构稍有差别
【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】：O469

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