二维硫属化物的电子性质和氧化行为的第一性原理研究

发布时间：2020-10-29 19:06

　　 随着石墨烯研究的热潮,种类丰富、性能多样的各种二维化合物材料相继被人们发现并研究,包括金属硫属化物、Ⅲ-Ⅴ主族构成的二元化合物、第Ⅳ主族单质、复合氧化物等。这些发现不仅打破了长久以来二维晶体无法在自然界中稳定存在的说法,这些材料自身更是呈现出许多新奇的物理现象和电子性质,如分数、半整数和分形量子霍尔效应、高载流子迁移率、能带结构变换等。二维硫属化物由于其高稳定性、丰富蕴藏量、环境友好性以及优异的电子性质引起了人们的高度关注。本论文研究了几种二维硫属化物单层的电子结构和氧化行为,相关的理论结果有望为未来设计纳米电子器件提供新的启示,具体发现如下:1)应用第一性原理计算系统研究了单层四族硫属化物(GeS,GeSe,SnS,SnSe)的氧化行为,发现这些单层的四族硫属化合物拥有1.26～1.60 eV的氧气活化势垒,大约是磷烯和砷烯的2倍。更重要的是,在低浓度氧气的环境下,氧气分子化学吸附在四族硫属化物上并不会改变其本身的电子性质—带隙变化不大,且不会引入杂质态,载流子的有效质量相对纯净的体系仅有很小的变化。2)通过第一性原理计算系统研究了完美的和带缺陷的单层三族硫属化物的氧化行为,发现完美的三族硫属化物单层表现出优异的抗氧化性,对氧气分子的解离和化学吸附具有较大的活化势垒,其值为3.02～3.20 eV;相比之下,存在S或Se缺陷的三族硫属化物单层易受氧气的影响,对氧气分子的化学吸附仅有0.26～0.36 eV的活化势垒。有趣的是,将一个氧气分子填充到单层三族硫属化物的硫族空位中,可以保持完美体系的电子能带结构—带隙几乎完好无损,载流子有效质量只受到中等程度的干扰。3)从理论上预测了硫化亚铜的一个层状新相Cu2S,称为δ-Cu2S,它具有新颖的电子特性和优异的抗氧化性。与已知的β-Cu2S相相比,单层和双层δ-Cu2S具有更低的形成能,δ-Cu2S相对于ββ-Cu2S的较高稳定性表明δ-Cu2S的实验合成具有很高的可能性。值得注意的是,δ-Cu2S表现出优异的抗氧化性,因为δ-Cu2S上O2的化学吸附具有1.98 eV的高活化势垒。在电子性质方面,δ-Cu2S是一种具有适中直接带隙(1.26 eV)和超高的电子迁移率(6880 cm2V-1s-1)的半导体,约为ββ-Cu2S双层的迁移率(246 cm2V-1s-1)的27倍。4)设计了一系列具有压电效应的“两面神”(Janus)三族硫属化物单层结构,包括Ga2SSe、Ga2STe、Ga2SeTe、In2SSe、In2STe、In2SeTe、GaInS2、GaInSe2和GaInTe2。它们的带隙为0.89～2.03 eV,小于完美体系的带隙;同时Ga2STe、Ga2SeTe、In2STe和In2SeTe为直接带隙半导体。这些Janus体系的压电系数高达8.47 pm/V,大约为单层三族硫属化物压电系数的4倍。更重要的是,因为Janus体系打破了镜面对称,引起了垂直于二维材料平面的面外极化强度,进而产生了面外压电系数为0.07～0.46 pm/V。5)通过第一性原理计算,预测了两种二维三元硫属化物:超薄GeAsSe和SnSbTe,它们拥有优异的电子和光学性质。GeAsSe和SnSbTe单层在能量、热力学和动力学上是稳定的。更重要的是,单层GeAsSe和SnSbTe拥有直接带隙,分别为2.56和1.96 eV,它们拥有超高的空穴迁移率,可达到20000 cm2V-1s-1,同时它们在可见光范围内拥有很高的光吸收系数。通过对能带边缘位置和水分解的氧化还原势的比较,揭示了层状的GeAsSe和SnSbTe有可能作为水分解的催化剂。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：O469
【部分图文】：

电器件［４］、压电器件［５］、铁电器件［６＿７］、能源材料［８］等领域拥有优异的潜在优势。四族硫??属化物ＭＸ?（Ｍ?＝?Ｇｅ、Ｓｎ；Ｘ?＝?Ｓ、Ｓｅ），即ＧｅＳ、ＧｅＳｅ、ＳｎＳ和ＳｎＳｅ具有类似于黒磷??的褶皱层状结构，如图１．１所示（图中虚线框代表四族硫属化物单层的单胞，绿色和黄??色原子分別代表四族和硫族元素）。这些二维硫属化物属于正交晶体，四个单层化合物??的空间群是Ｐｍｎ２１?（Ｎｏ．３１）。最重要的是，这些二维硫属化物在ａｒｍｃｈａｉｒ方向上都具??有类似铰链的结构，这导致了各向异性的力学ｍ、电子｜１（）］和热输运［４］等特性。??徽ｇ??１憑為???＞ｘ??＞ｚ??图１．１四族硫属化物单层原子结构的（ａ）俯视图和（ｂ）侧视图??Ｆｉｇ．?１．１?Ｌａｔｔｉｃｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｍｏｎｏｌａｙｅｒ?ｇｒｏｕｐ－ＩＶ?ｍｏｎｏｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅｓ?ｆｒｏｍ?（ａ）?ｔｏｐ?ａｎｄ?（ｂ）?ｓｉｄｅ?ｖｉｅｗ??ｉ．ｉ．ｉ实验的进展??实验上，Ｌｉ等人利用气相沉积工艺合成单晶二维ＧｅＳ纳米薄片，并表明该纳米薄??片的生长行为与其他由气相沉积生长的纳米村料和薄膜有本质上的不同［１１］，如图１．２所??示。他们发现，在典型的实验条件下，边界层扩散被认为是生长速率的决定步骤；同时??纳米薄片的尺寸对扩散通量有很大的依赖性，当决定速率的步骤从边界层扩散改变时，??晶体的质量会显著恶化。因此控制好生长过程中边界层的扩散

ｍ＇???＞．ｖ??图１．４三族硫属化物单层原子结构的（ａ）俯视图和（ｂ）侧视图??Ｆｉｇ．?１．４?Ｌａｔｔｉｃｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｍｏｎｏｌａｙｅｒ?ｇｒｏｕｐ－ＩＩＩ?ｍｏｎｏｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅｓ?ｆｒｏｍ?（ａ）?ｔｏｐ?ａｎｄ?（ｂ）?ｓｉｄｅ?ｖｉｅｗ??另外一类有趣的新兴二维材料家族是二维三族硫属化物（ＭＸ，?Ｍ＝Ｇａ，?Ｉｎ，?Ｘ＝Ｓ，?Ｓｅ，??Ｔｅ），结构如１．４图所示（图中虚线框代表三族硫属化物单层的单胞，棕色和黄色原子??－４－??

Ｂａｔｔｅｒｙ?Ｃａｔａｌｙｓｔｓ?Ｆｅｒｒｏｅｌｃｃｔｒｉｃｉｔｙ??图１．３二维四族硫属化物的应用＠２（）’３５＾７］??Ｆｉｇ．?１．３?Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ?ｏｆ?２Ｄ?ｇｒｏｕｐ?ＩＶ?ｍｏｎｏｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅｓ［５．６?２０?３＞３７］??１．２二维三族硫属化物??獨??——＞，Ｖ??（ｂ）?ｚ??’ｍ＇???＞．ｖ??图１．４三族硫属化物单层原子结构的（ａ）俯视图和（ｂ）侧视图??Ｆｉｇ．?１．４?Ｌａｔｔｉｃｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｍｏｎｏｌａｙｅｒ?ｇｒｏｕｐ－ＩＩＩ?ｍｏｎｏｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅｓ?ｆｒｏｍ?（ａ）?ｔｏｐ?ａｎｄ?（ｂ）?ｓｉｄｅ?ｖｉｅｗ??另外一类有趣的新兴二维材料家族是二维三族硫属化物（ＭＸ，?Ｍ＝Ｇａ，?Ｉｎ，?Ｘ＝Ｓ，?Ｓｅ，??Ｔｅ），结构如１．４图所示（图中虚线框代表三族硫属化物单层的单胞，棕色和黄色原
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本文编号：2861324