磷烯能带结构与改性性能的第一性原理计算

发布时间：2020-12-03 01:34

　　与传统体材料不同,仅有一个或几个原子层厚的二维材料具有很多新颖和优异的性质,是目前材料科学领域的热点话题。二维半导体材料不仅可以为后摩尔时代提供可能的解决方案,还有望实现新型器件,为微电子工业带来根本性的革新。磷烯是由磷原子六元环组成的蜂巢状褶皱二维晶体,它具有合适的带隙和独特的各向异性,在半导体电子器件和光电器件领域具有很大的应用潜力。基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,本论文对本征磷烯的几何结构、电学特性、输运特性和光学特性进行了研究,并通过引入空位缺陷和替位掺杂等改性手段调控磷烯体系的各项性质,为磷烯在微电子领域的应用提供理论参考。本论文首先建立了单层本征磷烯的结构模型,结合收敛性测试方法确定了后续计算的各项参数和收敛标准,并对磷烯模型进行了结构优化计算,明确了本征磷烯的几何结构性质。基于该模型,本论文研究了其能带结构、态密度等电学性质,和光吸收谱、能量损失谱等光学性质。发现本征磷烯具有准直接带隙半导体特性和各向异性的能带结构,且在近紫外光区具有很强的吸收能力。基于磷烯的E-k关系,使用二次函数拟合法,计算了磷烯的载流子有效质量和迁移率,验证了磷烯的高空穴迁移率和输运性质的各向... 

【文章来源】：西安电子科技大学陕西省 211工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：71 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

石墨烯晶格与能带结构示意图

在空气中暴露一小时后，磷烯表面形貌会发生明显退化，如何在空气中保持性能稳定将是制约磷烯器件走向应用的主要障碍之一。图1.2 磷烯的晶格结构示意图在实验领域，磷烯最早被应用于半导体器件和电路，作为 FET 的沟道材料。2014年，Liu 等[35]使用 5 nm 厚的磷烯和 MoS2分别作为 PMOS 和 NMOS 管的沟道材料，Ti/Au 为金属栅和互连线，Al2O3为栅介质层制作了一个反相器电路，在电源电压 1V时可以实现全摆幅输出，增益为 1.4。室温下，p 型磷烯晶体管的载流子迁移率为 286cm2V-1s-1

调幅滤波器。优异的输运性质使磷烯在半导体器件方面具有得天独厚的应用优势，是未来磷烯的主要应用方向之一。图1.3 磷烯在电子器件方向的部分应用[11, 35, 36, 38]高质量磷烯的应用对相关器件性能的提升有着关键作用，然而，磷烯对空气、水、热等外部因素较为敏感[40]，如何制备高质量磷烯，并维持其性能稳定是制约磷烯应用的关键难点。在研究早期，常使用机械剥离法[35]，使用胶带破坏块体黑磷层间较弱的范德华力，从而剥离出少层或单层磷烯。这种方法虽然可以获得高纯度、高净度磷烯，但也存在厚度和面积不可控，无法大规模生产等问题。2014 年，Lu 等[41]提出了 Ar 离子减薄法

【参考文献】：
硕士论文
[1]基于硅烯结构的第一性原理研究[D]. 任武杰.西安电子科技大学 2014



本文编号：2895771