层状金属碘化物半导体二维结构的光电性质

发布时间：2020-10-25 05:38

　　 二维材料因其独特的物理和化学特性而日益受到科学家们的重视,尽管石墨烯已被广泛应用于电子和新能源领域,但零带隙严重阻碍了它在光电设备上的应用。为了解决这一问题,大量研究团队开始开发、研究二维半导体材料,其中晶体为层状结构的半导体材料可以很容易制备出稳定的二维半导体纳米片,且其层与层之间的范德瓦尔斯相互作用对于纳米结构的性质产生重要影响,所以吸引了大量的研究兴趣,比如磷烯、六方氮化硼和过渡金属硫族化合物等二维半导体材料已成为当前的研究热点。碘化铋和碘化铅晶体作为层状结构半导体家族的一员,主要应用在辐射探测器上。近几年,它们的二维结构纳米片的特性也吸引了大量理论计算和实验研究团体的关注。另一方面,双层结构纳米片是第一个包含范德瓦尔斯作用的体系。因此,本文采用基于密度泛函理论的计算方法,主要对碘化铋和碘化铅的二维结构(主要是双层结构)的光电性质进行了系统的研究,同时也研究了碘化铅光电性质对厚度和应力的依赖性。得出的主要结论如下:1.压强对BiI_3的电子结构和光学性质的影响当对碘化铋施加静水压后,因范德瓦尔斯晶体中层间作用弱于层内离子键和共价键的强度,会导致c/a比值的减小,由于晶格参数的改变导致原子间距发生改变,进而导致带隙值随压强的增加而降低。压强对碘化铋光学性质影响的研究表明:静态介电常数随压强的增加而增加,介电函数虚部和吸收谱的阈值随压强的增加发生红移;在我们所研究的压强范围内,碘化铋的光学性质体现各向异性,光子能量低于2 eV时,介电函数实部随压强增加而增大,高于2 eV时,随压强变化不明显。我们的计算也显示:在可见光区域BiI_3晶体具有~10~5/cm的吸收系数和非零的光电导率。所有这些结果都表明碘化铋在光电设备应用上极具潜力。2.堆叠模式和层间耦合对双层三碘化铋的电子结构和光学性质的影响从总能量角度研究了不同堆叠模式双层碘化铋的的稳定性,最稳定的堆叠模式与体晶体的堆叠顺序一致,不同堆叠模式的平衡层间距由大到小的排序与总能量最小值由大到小的排序一致,这些现象可以用范德瓦尔斯作用遵循的兰纳-琼斯势定性地解释。不同堆叠模式和改变层间距能有效调制带隙值,随着层间距的减小,有七个堆叠模式的能带特征出现了间接带隙向直接带隙的转变,堆叠模式和层间距对双层碘化铋性能的影响可归因于位于上单层碘化铋下部的碘原子和位于下单层碘化铋上部的碘原子之间的相互作用(或者说层间耦合)。另外,层间距明显影响双层三碘化铋的光学性质,堆叠模式仅对吸收隙位置和静态介电常数产生明显影响。所有的这些发现将进一步激起有关二维碘化铋的理论研究和应用研究。3.双层碘化铅的电子结构和光学性质声子谱及结构总能研究结果显示:双层碘化铅有6种稳定的堆叠模式存在。这预示着它们极有可能通过实验方法合成,最稳定的堆叠模式是体相的。杂化泛函计算的双层碘化铅的总能比广义梯度近似泛函计算的值要小,对电子能带结构的计算显示有两种堆叠模式双层碘化铅的能带特征是直接带隙结构,它们的带隙值分别为2.59 eV和2.60 eV,这对于利用有效光吸收方面的应用是有益的。此外,我们也发现层间距能有效调制双层碘化铅的带隙值和带隙结构,详细的研究揭示了对带隙结构的调制作用可归因于层间距降低导致的层间耦合加强。最后,在对AA_1堆叠模式双层碘化铅的光学性质研究中发现:光学性质对层间距变化非常敏感,层间距的增加使静态介电常数降低,使光学带隙发生蓝移;此外计算显示光学特征主要由激子效应主导,计算的激子结合能和光学带隙值分别为0.81 eV和2.73 eV。4.激子效应对碘化铅的层依赖和应力依赖光电性质的影响利用G_0W_0+BSE方法研究了激子效应对碘化铅的层依赖和应力依赖光学性质的影响,并讨论了厚度和应力对激子效应的影响,结果表明:随着层数增加,吸光度和吸收系数增加,计算的激子结合能降低;激子效应对二维碘化铅的影响要大于对碘化铅晶体的影响;随着应力的增大,所有光学谱线都发生红移,特别是光子能量高于基础带隙的区域;并解释了电子性质与光学性质之间的联系。这将进一步强调对二维碘化铅在光电设备上潜在应用研究的必要性和重要性。
【学位单位】：河南师范大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O472
【部分图文】：

第一章 绪论exagonal boron nitride，h-BN），空间群：P63/mmc，晶格常数间接带隙 Eg= 5.97 eV[1]。空间结构如图 1-2 所示。与石墨性质是不同的，石墨为半金属，而氮化硼是宽带隙半导

六方氮化硼空间结构透视图，由四个晶胞组成

层状金属碘化物半导体二维结构的光电性质（2）III2-VI3化合物硫化铟（Indium sulfide,γ-In2S3），空间群：D -P3_m1，晶格常数：a = 0.38 nm，c = 0.904 nm，Eg= 1.8 eV。空间结构如图 1-3。（3）II-VII2化合物II 族二卤化物晶体中有大量层状结构半导体，这些半导体存在两种堆叠。一种是CdI2结构（如图 1-4（a）），空间群D ；另一种是 CdCl2结构（如图 1-4（b）），空间群D 。对于元素 Cd 的二卤化物，存在三种半导体，分别是 CdCl2结构的 CdCl2和CdBr2，CdI2结构的 CdI2。以 CdI2为例，间接带隙 Eg= 3.5 eV，2H 相的晶格常数：a =0.424 nm，c = 0.684 nm。
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本文编号：2855543