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《中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)》 2017年
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二维材料光电性质改性的第一性原理研究

陶鹏程  
【摘要】:二维材料凭借它非比寻常的物理特性在电学和光电子领域展现出很大的应用潜能。对器件来说,如场效应晶体管,半导体二维材料需要金属接触电极,半导体金属接触往往在界面形成一个肖特基势垒。如何形成低电阻接触是一个挑战,这对于实现高的开电流、大的光响应和高频运行是十分重要的。本文基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了二维材料本征特性、掺杂对二维材料电子结构的影响、金属-二维材料接触肖特基势垒以及掺杂对金属-二维材料界面肖特基势垒的影响。具体内容包括:1.利用第一性原理的方法研究了体材料石墨、MoS2、WS2和黑磷的最稳定结构,得到了相应原胞的总能和体材料的晶格常数。2.在优化好体材料石墨、MoS2、WS2和黑磷的原胞晶格常数的基础上,建立相应的单层结构,通过原子弛豫得到了稳定的单层二维材料,分别采用LDA和GGA形式的交换关联能计算了graphene、单层MoS2、单层WS2和单层BP的能带和态密度,研究结果一致表明:graphene是0带隙的半金属,单层MoS2、单层WS2和单层BP均为直接带隙半导体。3.在优化好MoS2晶格常数的基础上建立了3×3×1的单层MoS2超胞,研究了S空位和Mo空位的缺陷形成能,发现S空位的缺陷形成能比Mo空位的小,这说明S空位形式的缺陷更容易形成,这与实验上观察到纯净MoS2表面容易产生S空位的结论是一致的。据此,计算了不同卤族原子替代S原子掺杂的缺陷形成能,发现Ef(F)Ef(I)Ef(Cl)Ef(Br),这说明在单层MoS2中F原子最容易掺杂,Br原子比较难掺入单层MoS2。计算了卤族原子替代S掺杂后稳定结构的能带和态密度,发现卤族元素掺杂使得带隙宽度变大,并在带隙中引入了杂质能级。4.通过固定二维材料的晶格常数,以金属匹配二维材料晶格常数的形式建立了金属-二维材料界面,包括:(1)Mg-graphene、Cu-graphene、Al-graphene、Au-graphene、Pt-graphene,用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了金属对石墨烯费米能级的调制效应,发现Mg、Cu和Al金属对石墨烯的费米能级属于n型调控,而Au和Pt对石墨烯费米能级的调控属于p型调控,计算结果和文献报道是一致的;(2)Mg-MoS2、Al-MoS2、Cu-MoS2、Au-MoS2、Ti-MoS2、Ni-MoS2、Pt-MoS2、Pd-MoS2,研究结果显示Mg、Al、Cu、Au和单层MoS2接触属于n型接触,其中Mg、Al、Cu与单层MoS2接触形成的肖特基势垒高度较低,比较接近欧姆接触,而Au、Ti、Ni、Pt、Pd和单层MoS2接触形成的肖特基势垒高度较高,是典型的肖特基接触;(3)Mg-WS2、Cu-WS2、Al-WS2、Ti-WS2、Au-WS2、Ni-WS2、Pt-WS2、Pd-WS2,其中Mg、Cu、Al与单层WS2接触形成的肖特基势垒高度较低,比较接近欧姆接触,而Au、Ni、Ti、Pt、Pd和单层WS2接触形成的肖特基势垒高度较高,是典型的肖特基接触;(4)Al-BP、Au-BP,结果显示Al和黑磷接触形成的势垒要比Au和黑磷接触形成的势垒低,这说明相比于Au,Al可能是更好的金属电极。5.通过第一性原理方法研究了卤族元素掺杂对Au-MoS2界面肖特基势垒的影响和Se掺杂对Au-BP界面肖特基势垒的影响。研究结果表明,F和Cl原子的掺杂将会降低Au-MoS2体系的肖特基势垒高度,相比之下,Br和I原子的掺杂却增大了Au-MoS2体系的肖特基势垒高度,通过差分电荷密度和布居分布的分析,阐明了肖特基势垒高度的被调制是因为电荷转移形成的界面偶极矩的作用导致;Se原子掺杂能够有效降低Au-BP界面肖特基势垒高度,这与实验上得到的结果是一致的,通过分析掺杂前后界面间的电荷密度,解释了Au-BP界面肖特基势垒高度降低的原因。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN304

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