几类二维材料电子结构及输运特性的第一性原理研究

发布时间：2017-12-23 21:21

  本文关键词：几类二维材料电子结构及输运特性的第一性原理研究　出处：《山东大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：石墨烯的发现标志着二维材料的诞生,自此之后,越来越多的新型二维材料相继的被发掘出来。由于它们具有奇特的物理特性和在未来电子器件方面潜在的应用价值而受到人们广泛研究。尽管如此,从材料的制备到器件化过程中依然存在许多问题,诸如缺陷、掺杂、衬底、分子吸附、电极接触等,都从不同程度制约着二维材料的实际应用。本文从第一性原理计算出发,系统地研究了上述因素对材料本征电子结构及输运特性的影响,希望有助于实验上设计出具有更高性能的电子器件。本文具体的研究内容及结果如下:(1)含晶界石墨烯的电子结构及其输运特性晶界在石墨烯制备过程中是很难避免的,为了理解晶界对石墨烯电子结构及输运特性的影响,我们采用第一性原理手段计算了四种单一晶界和两种交叉晶界的电子结构及输运特性。计算结果表明,晶界的引入并没有破坏石墨烯的零带隙特性。但是晶界引入后,在费米能级附近出现了局域的电子态,这些电子态有助于电子的传输。电子垂直和沿着穿过晶界的输运性质存在明显的差异。与纯石墨烯相比,垂直穿过晶界的电流至少降低50%,然而沿着晶界的电流却下降的不是很多。避开垂直晶界传输,电子沿着其它方向传输的透射几率明显提高。电子在交叉晶界中的输运行为与垂直穿过其中单一晶界的输运行为十分相似。(2)MoS2/WS2平面异质结分子吸附及I-V响应近来报道的基于过渡金属硫化物的新型平面异质结被认为在光电领域具有潜在的应用价值。但是它对环境条件的响应并不清楚。这里,我们研究了 CO、H2O、NH3、NO、NO2等分子在其表面的吸附。确定了分子最优吸附构型和吸附强度,这些都与分子与异质结之间电荷转移有关。除了 NH3表现出给电子行为,其它分子都从异质结得到电子。通过分析分子和异质结的电子结构,给出了分子与异质结之间的电荷转移机制。进一步计算发现,分子吸附对异质结的输运性质影响较大,它改变了异质结的整流行为和通过电流的大小。由于异质结对分子吸附比较敏感,说明它可以作为潜在的分子探测材料。(3)Black arsenic-phosphorus体系电子结构、力学性质及载流子迁移率最近,实验上制备了具有层状结构的半导体材料black arsenic-phosphorus(b-AsP),通过调控它的化学组成能够实现对其带隙的灵活调控。但是其二维形式的力学、电学性能尚不知晓。我们采用第一性原理计算手段预测了具有不同As原子浓度的单层b-AsP体系的电子结构,力学特性及载流子迁移率。计算结果表明,单层b-AsP体系的剥离能比纯黑磷的要大,并且随着As原子浓度增加而增大。另外,b-AsP体系的断裂应变与石墨烯、二硫化钼的十分相近,表明它具有优异的力学性能,在柔性电子器件应用方面具有很大潜力。单层b-AsP体系的电子结构对As原子浓度并不敏感,但是可以通过施加应力对其调控。b-AsP体系的载流子迁移率表现出各向异性,与纯黑磷相比,其载流子迁移率明显降低,这可能不利于它在实际电子器件方面的应用。(4)A12O3衬底对黑磷电子结构的调控通过在黑磷(BP)表面沉积A12O3电介质可以有效抑制它在空气中的氧化。清晰的理解BP和Al203电介质间的相互作用对实际电子器件应用十分重要。我们通过理论计算研究了 A1末端和羟基化Al2O3(0001)表面对BP电子结构的影响。计算结果表明,BP的带隙在两个表面上分别增大了 160 meV和92 meV。带隙的增大主要是由于BP与A1203表面之间存在电荷转移。然而,带隙增大的趋势随着BP层数的增加发生了反转。2-4层BP的价带带阶要比单层BP的大0.5-0.9 eV,更利于电子注入势垒的形成。另外,BP/A1203的能带结构可以通过外加电场对其调控以适用于实际的应用。(5)边缘接触graphene-MoS2体系的电子结构及输运特性最近实验上制备了以graphene为电极MoS2为沟道的电子器件。我们通过第一性原理计算手段揭示了 graphene和MoS2的接触构型对两者形成异质结的电学性质的影响。Graphene和MoS2通过边缘接触可以形成四种异质结,即Armchair-Armchair、Zigzag-Armchair、Armchair-Zigzag、Zigzag-Zigzag。计算结果表明,MoS2在与石墨烯形成平面异质结时被金属化了。费米能级附近的金属态主要分布在两者的接触界面区域,并且这些电子态主要是由Mo原子的4d轨道和C,S原子的2p轨道组成的。异质结界面处的电荷转移量与两种材料具体接触构型有关。通过能带带阶计算发现,graphene-MoS2平面异质结形成的是n型肖特基接触,不同构型的接触势垒在0.45～0.75 eV范围内,这比MoS2与Sc和Ti金属形成的势垒要大。采用双电极模型得到的电子透射谱带隙大于MoS2的本征带隙。选取的两种代表构型电流-电压曲线存在差异,说明接触构型对grpphene-MoS2平面异质结的输运行为有重要影响。(6)2H1-x1TxMoS2杂化体系的电子结构及输运特性近来的实验证实了采用杂化的1T-MoS2作为电极能够有效降低基于2H-MoS2器件的接触电阻。在这里,我们通过理论计算预测了含有不同1T相浓度的杂化电极2H1-x1Tx MoS2的电子结构及它对器件输运性质的影响。计算结果表明,2H1-x1TxMoS2体系的稳定性随着1T相浓度的增加而减小。1T-MoS2的引入明显降低了体系带隙的大小。杂化体系费米能级附近出现的平带不利于电子的传输。含有不同1T-MoS2的杂化体系的电子透射谱存在明显差异,说明电子的透射几率不但与1T相浓度有关,还依赖两相MoS2在杂化体系中的具体排列。另外,O2分子与杂化体系的结合能明显大于它与纯2H和1T-MoS2体系的结合能,并且它们之间存在着电荷转移。为了保护2H1-x1Tx MoS2体系不受分子吸附的影响,我们预测了 BN是非常有效的保护材料。本论文共包含九章内容:第一章为综述,简单介绍了几类二维材料的研究进展;第二章为理论计算方法,主要描述了密度泛函理论和非平衡格林函数方法。第三到第八章为基于以上方法开展的具体工作。第三章研究了晶界对石墨烯电子结构及输运特性的影响;第四章研究了分子吸附对MoS2/WS2平面异质结电子结构及输运特性的影响;第五章预测了二维杂化砷磷体系电子结构、力学性质及载流子迁移率大小;第六章探讨了 Al2O3衬底对黑磷电子结构的调控机制;第七章研究了接触构型对边缘接触graphene-MoS2体系的电子结构及输运特性的影响;第八章研究了 2H1-x1Tx MoS2杂化体系的电子结构及输运特性;第九章为全文做了总结,并对下一步工作做了展望。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB30
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本文编号：1325518