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《东南大学》 2017年
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新型二维及量子点材料电子与光学性质的理论研究

牛相宏  
【摘要】:石墨烯、磷烯等超薄二维材料及相应的量子点结构具有丰富的物理化学性质,在电子与光电子领域展现了广泛的应用前景,引起了人们的格外关注。在这些低维纳米材料的制备和应用过程中,我们需要对其性质进行调节控制以满足具体的需求,如:通过改变尺寸的大小、掺杂、表面修饰以及材料复合等等。同时,在合成过程中产生的各种缺陷对其性质也会产生影响。为了清晰地理解这些因素对材料电子结构和光学性质的影响,基于密度泛函或含时密度泛函理论,结合多体理论,我们对石墨烯和黑磷量子点、氧化锌/蓝磷异质结及砷烯基复合材料的电子结构和光学性质进行了系统研究,主要研究内容如下:1)氮掺杂石墨烯量子点光吸收与发射机制研究。氮掺杂能够调节石墨烯量子点荧光波长,增加光稳定性以及提高量子产率,具有良好的应用前景。但是,氮掺杂对石墨烯量子点光吸收和发射的影响机制一直存在争议。我们的研究表明,不同种类和位置的氮掺杂导致石墨烯量子点具有不同的吸收和发射特性:中心氮掺杂在石墨烯量子点带隙中引入中间态,导致石墨烯量子点荧光湮灭;边界氮掺杂可以调节石墨烯量子点的激发态能级位置,引起光谱红移或蓝移,同时增强荧光发射强度,提高量子产率。光谱的蓝移红移与石墨烯量子点和掺杂氮前线轨道之间的杂化密切相关:杂化均匀往往导致光谱蓝移;反之,光谱红移。我们的理论首次清晰地阐明了氮掺杂实验中的各种争议。我们还揭示了溶剂效应对量子点光学性质的影响,极性强的溶液导致光谱红移,同时增强量子点的吸收发射强度。2)黑磷量子点光学性质的反常尺寸效应。理解黑磷纳米结构的电子跃迁性质对其在电子和光电子器件的应用是至关重要的。采用含时密度泛函理论方法,我们系统地研究了黑磷量子点在电子结构、光吸收和光发射方面的尺寸效应。黑磷量子点电子带隙和吸收带隙是正常的量子尺寸效应,即:尺寸越大,带隙越小,尺寸与带隙成负相关关系。但对于光学发射带隙,我们观察到了反常的尺寸效应:当尺寸从0.8nm到1.8nm时,光发射带隙逐渐增大,当尺寸大于1.8nm时,光发射带隙显示出减小的趋势。这种反常发射现象源于激发态结构迟豫导致结构畸变,进而减小了带隙;且尺寸越小,畸变就越显著。结构畸变和量子尺寸效应的竞争作用最终导致了反常光发射现象。3)黑磷量子点对点缺陷和氧缺陷的光吸收容忍性。黑磷量子点具有极好的光学性质,在生物医学及光电子器件方面具有潜在应用价值。黑磷量子点在制备过程中,不可避免地会引入各种各样的点缺陷,同时,黑磷在空气环境中也很容易被氧化进而引入氧缺陷。目前,这些缺陷对黑磷量子点电子和光学性质的影响还不清楚。针对这一问题,我们采用含时密度泛函理论方法,系统地研究了点缺陷和氧缺陷对黑磷量子点电子和光学性质的影响。结果表明,无论是点缺陷还是氧缺陷,都存在两种情况:(1)对于缺陷位磷原子的配位数为3的类型,黑磷量子点具有极好的光吸收容忍性;(2)对于缺陷位磷原子的配位数不为3的,无论是是大于还是小于3,黑磷量子点带隙中都出现了中间态,导致黑磷量子点光吸收通道的堵塞,吸光能力锐减。有趣的是,对于这种情况,我们采用氢气充分钝化,可使黑磷量子点的光吸收性质得到恢复。因此,黑磷量子点具有很好的光吸收容忍性。4)氧化锌虛磷异质结:优异的光生电子空穴对分离效率。载流子分离对于光电器件的应用至关重要。在单一半导体材料中,因为光生电子空穴的波函数交叠,电子空穴对很容易复合。通过设计第二类带边结构的复合材料,能有效地解决这一问题。基于第一性原理计算,我们设计了氧化锌/蓝磷异质结,该结构不但具有第二类异质结带边结构,而且两种材料之间存在促进电子空穴分离的内建电场。这些因素极大地促进了光生电荷从氧化锌层转移到蓝磷层,显著增加了电子空穴对的分离效率。相比于它们单一的材料,异质结的光吸收能力也得到了增强。而且,通过施加垂直电场,异质结能够从间接带隙转化成直接带隙,这也将进一步促进光生电荷的转移。5)高效的光伏和光催化双功能材料:砷烯基异质结。砷烯,具有合适的带隙,高的载流子迁移率和优异的光学性质,在光伏与光催化领域具有潜在的应用。然而,砷烯在大气环境中的稳定性,精确的带边位置及光生电子和空穴的分离效率仍没有得到系统研究。采用多体微扰GW方法结合带边外推的方法,我们获得了准确的带边信息,并发现砷烯与二硫化钼、TCNQ、TCNNQ等能构成第二类带边结构异质结,这些异质结构具有合适的带隙和带边能级,满足光催化水裂解的要求。并且,把这些异质结应用到光伏领域,砷烯作为电子供体材料,其他的对材料作为电子受体材料,能量转换效率达到20%左右。同时,砷烯良好的稳定性也增加了砷烯基异质结在光伏与光催化领域应用的竞争力。
【学位授予单位】:东南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O471.1

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