砷烯、锑烯及二维砷锑化合物电声子散射和迁移率的第一性原理研究
发布时间：2021-06-22 15:02
载流子迁移率是反映半导体输运性质的一个重要参数,而室温下的电-声子散射是影响热载流子本征输运的主要因素。本论文通过基于密度泛函微扰理论（Density Functional Perturbation Theory,DFPT）的第一性原理方法,结合瓦尼尔插值函数,研究了砷烯、锑烯及二维砷锑化合物的电-声子散射,并在此基础上结合玻尔兹曼输运方程计算了声子限制下的二维砷锑化合物的空穴和电子的迁移率。具体研究内容如下:（1）我们首先分析了砷烯和锑烯的电子结构,接着比较了这两个二维材料的电-声子散射。在电-声子散射的计算结果基础之上,进一步对比了两个体系的载流子驰豫时间和平均自由程。结果表明:两个结构的散射率有相同的变化趋势,在价带顶（VBM）和导带底（CBM）,散射率有极小值,随着能量的增加,散射率也相应的增加。同时我们又研究了光学波声子和声学波声子对驰豫时间的影响。结果显示,两种结构中,价带顶处声学波声子有较大的驰豫时间,在砷烯和锑烯中的最大值分别为144 fs和250 fs。而在导带底光学波声子的驰豫时间值较大,其值分别为35 fs和38 fs。在此基础上,计算得到两个体系的热电子和热空穴...
【文章来源】：内蒙古大学内蒙古自治区 211工程院校
【文章页数】：45 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
二维第V主族材料被广泛应用于多个领域，如热电器件，发光器件以及能源器件
内蒙古大学硕士学位论文3的同时，各种可调方法被用来丰富其性能和扩展其应用，这些改进方法包括掺杂、缺陷、外加电场（应变）、化学功能化和异质结构[28-30]。其中比较简单的一种方式是第V主族元素（AB）的内部结合，可以看做是将A掺杂到半导体B中（称为二维V-V二元材料），该方法在实验中十分常见且易于实现，为制备可调的原子结构和电子特性提供了新的视角[31]。由于晶体结构不同，所以表现出的性质也不同，最近，Wen等人的计算表明，从稳定性上来看，图1.2九种第V主族元素构成的二元化合物晶格结构图（包括俯视图和侧视图)[32]。Figure1.2LatticestructurediagramofbinarycompoundscomposedbyninekindsofV-groupelements(includingtopandsideviews)[32].β-AsP，β-SbAs，α-BiAs，α-BiSb，α2-SbP以及α2-BiP相对于其他的二维V-V族化合物结构来说是最好的，见图1.2[32]。其中，二维AsP二元材料（黑色AsP单层）因其良好的直接带隙，超过14000cm2V-1s-1的迁移率和高功率转换效率而被预测为太阳能电池的有前途的替代材料[33]。同时，实验研究证明，二维AsP在中红外（MIR）光电子器件领域也具有很大的应用价值[34,35]。2018年，Chen等人对β相的六种二维V-V二元材料（PAs、PSb、AsSb、PBi、AsBi和BiSb）的研究表明，PAs、PSb、AsSb单分子层是间接带隙半导体，而三种铋化物（PBi、AsBi和BiSb）
内蒙古大学硕士学位论文133.2计算方法本文采用基于密度泛函微扰理论的第一性原理方法，使用的软件包括Quantum-ESPRESSO[51]和EPW(Electron-PhononcouplingusingWannierfunction)[52]。As和Sb的结构模型是使用MaterialStudio软件创建的，随后结构的优化是使用Quantum-ESPRESSO软件包，同时再利用它计算自洽和声子色散关系。在整个过程采用模守恒赝势，且通过测试得到，在同时采用PBE泛函和150Ry的截断能，k点网格取值为32×32×1，q点网格取值为16×16×1，这时计算的结果是最优值。我们使用EPW来计算优化后的晶格性质，如：电-声子自能，电-声子散射率，驰豫时间和平均自由程，这时需采用插值后的k点和q点网格：400×400×1。3.3计算结果与讨论3.3.1基本模型图3.3.1是As和Sb优化后的结构图，左图为俯视图，右图为侧视图，该结构是典型的六方晶格，它们的晶格常数分别为a=b=3.61和a=b=4.11。图3.3.1优化后的As和Sb结构图。Figure3.3.1OptimizedgeometryofAsandSb.3.3.2彩色能带图我们计算了电-声子相互作用的自能虚部，并且将其和能带图结合起来，如图3.3.2所示，（a）图为As的彩色能带图，（b）图为Sb的彩色能带图，其中不同的颜色代表不同的自能虚部值。我们可以清晰地看到这两种结构都是间接带隙半导体，位于Г点的是价带顶，导带底则出现在沿着Γ-Μ方向，As和Sb结构的能带大小分别为1.51eV和1.17eV。其次，在两种结
本文编号：3243051
【文章来源】：内蒙古大学内蒙古自治区 211工程院校
【文章页数】：45 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
二维第V主族材料被广泛应用于多个领域，如热电器件，发光器件以及能源器件
内蒙古大学硕士学位论文3的同时，各种可调方法被用来丰富其性能和扩展其应用，这些改进方法包括掺杂、缺陷、外加电场（应变）、化学功能化和异质结构[28-30]。其中比较简单的一种方式是第V主族元素（AB）的内部结合，可以看做是将A掺杂到半导体B中（称为二维V-V二元材料），该方法在实验中十分常见且易于实现，为制备可调的原子结构和电子特性提供了新的视角[31]。由于晶体结构不同，所以表现出的性质也不同，最近，Wen等人的计算表明，从稳定性上来看，图1.2九种第V主族元素构成的二元化合物晶格结构图（包括俯视图和侧视图)[32]。Figure1.2LatticestructurediagramofbinarycompoundscomposedbyninekindsofV-groupelements(includingtopandsideviews)[32].β-AsP，β-SbAs，α-BiAs，α-BiSb，α2-SbP以及α2-BiP相对于其他的二维V-V族化合物结构来说是最好的，见图1.2[32]。其中，二维AsP二元材料（黑色AsP单层）因其良好的直接带隙，超过14000cm2V-1s-1的迁移率和高功率转换效率而被预测为太阳能电池的有前途的替代材料[33]。同时，实验研究证明，二维AsP在中红外（MIR）光电子器件领域也具有很大的应用价值[34,35]。2018年，Chen等人对β相的六种二维V-V二元材料（PAs、PSb、AsSb、PBi、AsBi和BiSb）的研究表明，PAs、PSb、AsSb单分子层是间接带隙半导体，而三种铋化物（PBi、AsBi和BiSb）
内蒙古大学硕士学位论文133.2计算方法本文采用基于密度泛函微扰理论的第一性原理方法，使用的软件包括Quantum-ESPRESSO[51]和EPW(Electron-PhononcouplingusingWannierfunction)[52]。As和Sb的结构模型是使用MaterialStudio软件创建的，随后结构的优化是使用Quantum-ESPRESSO软件包，同时再利用它计算自洽和声子色散关系。在整个过程采用模守恒赝势，且通过测试得到，在同时采用PBE泛函和150Ry的截断能，k点网格取值为32×32×1，q点网格取值为16×16×1，这时计算的结果是最优值。我们使用EPW来计算优化后的晶格性质，如：电-声子自能，电-声子散射率，驰豫时间和平均自由程，这时需采用插值后的k点和q点网格：400×400×1。3.3计算结果与讨论3.3.1基本模型图3.3.1是As和Sb优化后的结构图，左图为俯视图，右图为侧视图，该结构是典型的六方晶格，它们的晶格常数分别为a=b=3.61和a=b=4.11。图3.3.1优化后的As和Sb结构图。Figure3.3.1OptimizedgeometryofAsandSb.3.3.2彩色能带图我们计算了电-声子相互作用的自能虚部，并且将其和能带图结合起来，如图3.3.2所示，（a）图为As的彩色能带图，（b）图为Sb的彩色能带图，其中不同的颜色代表不同的自能虚部值。我们可以清晰地看到这两种结构都是间接带隙半导体，位于Г点的是价带顶，导带底则出现在沿着Γ-Μ方向，As和Sb结构的能带大小分别为1.51eV和1.17eV。其次，在两种结
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