类石墨烯材料的电子结构和光学性质的理论研究

发布时间：2017-12-06 13:32

  本文关键词：类石墨烯材料的电子结构和光学性质的理论研究

  更多相关文章： 二维材料 电子结构 吸收谱 激子 密度泛函理论 多体微扰理论

【摘要】：最近,人们对硅烯、锗烯、磷烯和单层过渡金属硫簇化合物格外关注,这些超薄二维材料具有良好的物理性质并且在电子和光电子邻域有广阔的应用前景。其中,硅烯和锗烯是类似于石墨烯的半金属,开启它们的带隙实现其在光电方面的应用仍然是人们所关注的重要科学问题。此外,这些低维纳米材料物理性质在制备和器件合成过程中会受到内、外界各种因素的影响,如：应变、缺陷、周围环境以及层间相互作用的影响。为了更好地了解在这些因素下它们的电子和光学性质,我们基于第一性原理密度泛函理论和多体微扰理论来模拟它们的电子结构和光吸收,从而探究其背后的机理,为实验工作者提供切实可行的理论指导。主要内容如下：1)拉伸应变对氢化硅烯电子和光学性质的调制。硅烯是一个类似于石墨烯的半金属,硅烯的全部氢化可以开启硅烯一个中等的间接带隙(2.1 eV),间接带隙阻碍了它在光电器件上的实际应用,这样就需要通过某种手段来改变它的间接带隙的本质。在二维层状材料里,应变作为调制材料性质的有效手段之一,并且能够获得材料可控的带隙。我们通过基于多体微扰理论的第一性原理计算来观察在双轴拉伸应变下氢化硅烯的电子结构和光响应。计算表明：氢化硅烯的带隙在很宽范围内可调且间接向直接带隙转变发生在小的应变2.74%；在较大的应变下,具有半导体性质的氢化硅烯变成金属,这一系列的变化源于随着应变提高r点的导带底持续下移。氢化硅烯的弱介电屏蔽使它的准粒子带隙相当大且提高的应变使其带隙迅速下降,而体系的激子束缚能对应变不是很敏感,但光学吸收边界移向低能区且落到可见光区域,使其很有希望成为光电子器件的材料。2)氢化/氟化对锗烯以及厚度对氢化锗烯电子和光学性质的调制。锗烯是一个半金属,打开它的带隙使其应用于光电子邻域是一个值得关注的科学问题。我们系统地探索了全部氢化和氟化锗烯的结构、电子和光学性质。研究结果表明：氢化和氟化锗烯都有两种稳定构型,即chair和zigzag-line构型,且它们的电子和光学性质和构型密切相关。chair氢/氟化锗烯和zigzag-line氟化锗烯是直接带隙半导体,而zigzag-line氢化锗烯是一个间接带隙半导体。在这些结构里,准粒子纠正很显著并且我们也观察到大激子束缚能的强激发效应。而且,发现zigzag-line氢/氟化锗烯有高度各向异性的光响应,利用它们的这个性质可以制作光学线性偏振器。我们进一步研究了层数对氢化锗烯电子和光学性质的影响。计算表明：少数层和块状氢化锗烯都是直接带隙的半导体且带隙在很宽范围内可调。单层氢化锗烯的激子束缚能达到750 meV,这是块状氢化锗烯激子束缚的15倍。更有趣的是,准粒子带隙、光学带隙和激子束缚随着厚度增加而迅速下降且它们和厚度之间遵守幂法则：A+B/Np(0β2),N是层数。我们对这种类似于尺寸效应的结果进行了很好地理解。3)堆叠对双层黑磷电子和光学性质的影响和调控。最近,从块状黑鳞里成功地剥离出少数层,少数层黑鳞是一个具有直接带隙、高迁移率与各向异性的新型二维半导体材料,得到人们的广泛关注。但是,层间相互作用和性质的关系仍然不清楚,特别是不同堆叠将如何影响其电子和光学性质。以双层黑鳞为代表,我们研究了双层黑鳞的四种不同堆叠模式。计算表明,四种体系都是直接带隙的半导体,带隙的改变依赖于堆叠结构。我们进一步通过建立紧束缚模型解释了这种依赖关系。更有趣的是堆叠敏感的光吸收和激子束缚能被观察到,这个现象源于不同堆叠诱导的不同层间相互作用。4)空位缺陷对二硫化钼光学吸收的影响和调控。在过去几年里,人们已经广泛报道二硫化钼的结构缺陷,并且它们极大地影响二硫化钼的输运和光学性质。可是,它们如何影响二硫化钼的光学性质仍然不清楚。我们通过GW近似和解Bethe-Salpeter方程来研究内在缺陷的主要类型硫空位对单层二硫化钼光学吸收和激子效应的影响,我们的计算表明：硫空位在带隙中产生局域的中间态,导致光学吸收峰的位置显著红移并且在可见光和近红外区域有较强的光吸收。然而,氧气分子能够很好地修复硫空位并且极大地提高了单层二硫化钼的光吸收。我们很好地理解了这个缺陷调制的吸收机制,这为二维硫簇材料的光电子器件的制备提供了深入指导。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O469

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