扶手椅型黑磷纳米带空位缺陷及输运性质的第一性原理研究
发布时间：2020-12-12 04:38
随着电子元件尺寸不断缩小,基于硅材料微纳米电子器件的发展遇到了瓶颈,摩尔定律也难以维持。因此,探索能改善载流子输运和减小漏电流的新型场效应晶体管（Field effect transistor,FET）,就成为实现新型电子科学和技术革新的重要途径之一。近年来,新兴的二维材料黑磷烯不但具有合适的直接带隙和极高的迁移率等优异电子结构和性质,而且具备较强的机械性能,可以保证材料的柔性和耐受性,因此其在半导体器件领域倍受关注。然而,因为黑磷烯具有褶皱结构,在室温条件下容易被氧化,继而产生各种各样的缺陷（如空位缺陷和Stone-Wales缺陷等）,其电子和磁学等性质会发生改变。只有掌握缺陷的形成过程以及了解其对材料所带来的影响,才可以更好地调控二维黑磷烯的性质。另外,尺寸和边缘效应也对黑磷烯的电输运性质具有重要的影响。在器件的设计和搭建的过程中,对黑磷烯进行合理裁切是必需的,而经裁切获得的黑磷纳米带同样含有大量缺陷。因此,为了深入了解黑磷纳米带作为FET沟道材料的性能表现,非常有必要探究空位缺陷对黑磷纳米带电输运性质的影响。针对上述科学问题,我们通过密度泛函理论和非平衡格林函数方法,研究了扶手椅...
【文章来源】：湖南师范大学湖南省 211工程院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常见的二维材料及其应用领域[5]
硕士毕业论文2二维材料相比于块体材料拥有更多独特的性质，除了拥有高载流子迁移率和适合各种用途的电子带隙外，其在自旋电子学中也具有广大的应用前景，比如在实验中已经观察到单层石墨烯具有室温量子霍尔效应和自旋整流效应[10,11]。二维材料也具有原本块体材料所没有的压电、光电、热电等性质[12-14]，可用于相关能量的转换器件。最重要的是它们通常具有极其丰富的调控手段，比如施加应变，电场或者堆垛成异质结等。这些手段不但可让二维材料的各种特性发生量变，还可能调控出新的物理性质[15]。同样，在化学领域，可根据需要对二维材料大量暴露在表面的原子进行吸附或掺杂，以达到材料改性的目的。这样使得其优秀的化学性能可以在电催化，光催化和燃料电池等方面得以充分发挥[16]。因此二维材料在光电器件、储能和催化剂等领域拥有无限的潜力[17,18]。1.2黑磷纳米带的研究进展1.2.1黑磷烯于十九世纪初，块体黑磷就已经在高温高压条件下成功合成，但直到2014年Zhang等人用机械法在黑磷块体中剥离出薄层的黑磷烯后才再次引起人们的关注[8,19]。实验上已发现的磷单质同素异构体有四种，而其中的黑磷在常温下结构最稳定[20]。与石墨相似，黑磷也是由层状磷原子通过层间范德瓦尔斯作用结合而成，层间作用能很小，只有200meV/atom，所以黑磷烯可以轻易从其母体中分离出来[21,22]。俯看单层黑磷烯，发现具有和石墨烯类似的蜂窝状六元环结构，但明显不同的是黑磷烯图1.2黑磷烯FET、黑磷烯晶格结构示意图和能带结构[8]。
硕士毕业论文4拓扑相变[34,35]。同样在自旋电子学方面，Kim等人在实验上通过对黑磷施加极高的静水压后，成功在带隙中诱导出狄拉克半金属态[36]。这些都大大拓宽了黑磷烯的应用范围。图1.3（a）MoS2与BP组建的CMOS反向晶体管管及输出特性曲线[29]；（b）BP双向整流晶体管及不同温度下IV特性曲线[30]。1.2.2扶手椅型黑磷纳米带在2016年，通过电子束对少层黑磷烯进行辐照刻蚀的方法实现了黑磷纳米带的制备。但获得样品数量很少，结构也极不稳定。经过形貌表征后，发现在其表面和边缘存在大量的点缺陷[37]。直到最近，Christopher等人通过离子剪刀这种自上而下方法成功制得了大量高品质的黑磷纳米带。经过结构表征，发现所得样品主要是单层厚度原子级晶体，宽度为4~50nm，而长度可达75μm，纵横比高达1000[38]。黑磷纳米带将可能成为低维材料研究的新宠儿。黑磷纳米带在结构上可根据对单层黑磷烯裁切的方向不同分为zigzag、armchair和tilted型纳米带[39]。Carvalho等人通过DFT计算研究发现，各种类型纳米带的形成能都非常相近，在0.1eV/atom左右[40]。早在实验之前，人们就已对黑磷纳米带的各方面物理性质做了大量理论预测。因为BP结构和物理性质上的各向异性，对应的纳米带也会因为边缘取向的不同在性质上出现很大区别。最直接的表现是，zigzag型纳米带（Zigzagphosphorenenanoribbon,ZPNR）是金属特性，而armchair和tilted型纳米带则仍然为半导体特性[41,42]。其中zigzag黑磷纳米带和armchair黑磷纳米带的能带结构[43]如图1.4，显然(b)(a)
【参考文献】：
期刊论文
[1]Black phosphorus electronics[J]. Hao Huang,Bei Jiang,Xuming Zou,Xingzhong Zhao,Lei Liao. Science Bulletin. 2019(15)
[2]Strategies for improving the lithium-storage performance of 2D nanomaterials[J]. Jun Mei,Yuanwen Zhang,Ting Liao,Ziqi Sun,Shi Xue Dou. National Science Review. 2018(03)
本文编号：2911877
【文章来源】：湖南师范大学湖南省 211工程院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常见的二维材料及其应用领域[5]
硕士毕业论文2二维材料相比于块体材料拥有更多独特的性质，除了拥有高载流子迁移率和适合各种用途的电子带隙外，其在自旋电子学中也具有广大的应用前景，比如在实验中已经观察到单层石墨烯具有室温量子霍尔效应和自旋整流效应[10,11]。二维材料也具有原本块体材料所没有的压电、光电、热电等性质[12-14]，可用于相关能量的转换器件。最重要的是它们通常具有极其丰富的调控手段，比如施加应变，电场或者堆垛成异质结等。这些手段不但可让二维材料的各种特性发生量变，还可能调控出新的物理性质[15]。同样，在化学领域，可根据需要对二维材料大量暴露在表面的原子进行吸附或掺杂，以达到材料改性的目的。这样使得其优秀的化学性能可以在电催化，光催化和燃料电池等方面得以充分发挥[16]。因此二维材料在光电器件、储能和催化剂等领域拥有无限的潜力[17,18]。1.2黑磷纳米带的研究进展1.2.1黑磷烯于十九世纪初，块体黑磷就已经在高温高压条件下成功合成，但直到2014年Zhang等人用机械法在黑磷块体中剥离出薄层的黑磷烯后才再次引起人们的关注[8,19]。实验上已发现的磷单质同素异构体有四种，而其中的黑磷在常温下结构最稳定[20]。与石墨相似，黑磷也是由层状磷原子通过层间范德瓦尔斯作用结合而成，层间作用能很小，只有200meV/atom，所以黑磷烯可以轻易从其母体中分离出来[21,22]。俯看单层黑磷烯，发现具有和石墨烯类似的蜂窝状六元环结构，但明显不同的是黑磷烯图1.2黑磷烯FET、黑磷烯晶格结构示意图和能带结构[8]。
硕士毕业论文4拓扑相变[34,35]。同样在自旋电子学方面，Kim等人在实验上通过对黑磷施加极高的静水压后，成功在带隙中诱导出狄拉克半金属态[36]。这些都大大拓宽了黑磷烯的应用范围。图1.3（a）MoS2与BP组建的CMOS反向晶体管管及输出特性曲线[29]；（b）BP双向整流晶体管及不同温度下IV特性曲线[30]。1.2.2扶手椅型黑磷纳米带在2016年，通过电子束对少层黑磷烯进行辐照刻蚀的方法实现了黑磷纳米带的制备。但获得样品数量很少，结构也极不稳定。经过形貌表征后，发现在其表面和边缘存在大量的点缺陷[37]。直到最近，Christopher等人通过离子剪刀这种自上而下方法成功制得了大量高品质的黑磷纳米带。经过结构表征，发现所得样品主要是单层厚度原子级晶体，宽度为4~50nm，而长度可达75μm，纵横比高达1000[38]。黑磷纳米带将可能成为低维材料研究的新宠儿。黑磷纳米带在结构上可根据对单层黑磷烯裁切的方向不同分为zigzag、armchair和tilted型纳米带[39]。Carvalho等人通过DFT计算研究发现，各种类型纳米带的形成能都非常相近，在0.1eV/atom左右[40]。早在实验之前，人们就已对黑磷纳米带的各方面物理性质做了大量理论预测。因为BP结构和物理性质上的各向异性，对应的纳米带也会因为边缘取向的不同在性质上出现很大区别。最直接的表现是，zigzag型纳米带（Zigzagphosphorenenanoribbon,ZPNR）是金属特性，而armchair和tilted型纳米带则仍然为半导体特性[41,42]。其中zigzag黑磷纳米带和armchair黑磷纳米带的能带结构[43]如图1.4，显然(b)(a)
【参考文献】：
期刊论文
[1]Black phosphorus electronics[J]. Hao Huang,Bei Jiang,Xuming Zou,Xingzhong Zhao,Lei Liao. Science Bulletin. 2019(15)
[2]Strategies for improving the lithium-storage performance of 2D nanomaterials[J]. Jun Mei,Yuanwen Zhang,Ting Liao,Ziqi Sun,Shi Xue Dou. National Science Review. 2018(03)
本文编号：2911877
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