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低维异质结能带排列及其载流子动力学过程的理论研究

程开  
【摘要】:二维材料由于其优异的物理和化学性质引起了人们的广泛关注,然而二维材料的许多固有局限性限制了其在实际器件中的应用,构建由两种二维材料构成的二维层内异质结是解决上述问题的一种可行且有效的方法,石墨烯/氮化硼和两种过渡金属硫属化物构成的二维层内异质结已经取得了明显进展。此外,二维材料与其它纳米结构复合构成异质结可以有效提高纳米结构的性能,石墨烯/金属氧化物纳米复合电极在锂电池中表现出良好的循环稳定性,二硫化钼搭载到半导体光催化剂上可明显提高其催化性能。因此,研究这些低维异质结是十分重要的课题,本论文设计了一系列低维异质结超胞结(?)并基于密度泛函理论和含时密度泛函理论研究了异质结的能带排列(或肖特基势垒)和光激发载流子动力学过程,主要内容概括如下:1、构建了由二维四族硫属化物构成的失配度小于5%的四类二维层内异质结。基于密度泛函理论计算,考察了这些异质结的形成能和电子结构,发现它们仍然保持半导体的特点且容易通过化学气相沉积的方法制备出来。用真空电势作为参考能级,计算了这些异质结在安德森极限下的能带排列,并且考虑了层数对能带排列的影响,发现GeS/SnS属于II型能带排列,将有望在高性能太阳电池器件中得到应用。2、构建了由二维三族硫属化物构成的失配度小于5%的五类二维层内异质结,每类异质结的界面可沿着aimchair或zigzag方向。基于密度泛函理论的计算表明,这些异质结界面是通过共价键连接的,且这类异质结相比于TMD和三族硫属化物构成的二维层内异质结更容易被制备。能带排列的计算表明四类异质结有II型能带排列的特点。此外,层数调控可有效改变异质结的电子结构和能量转换效率,三层GaS/InS异质结的理论能量转换效率可超过20%。3、构建了石墨烯与两种金属氧化物(Cu20和NiO)构成的异质结超胞结构,通过第一性原理计算研究了石墨烯与金属氧化物之间的相互作用,结果表明石墨烯与金属氧化物之间的相互作用较弱,因而两者能在异质结中保持自身的固有属性。用平均体电势作为参考能级计算了石墨烯与金属氧化物间的肖特基势垒,并探究了界面偶极的影响,计算得到的肖特基势垒较小,意味着石墨烯与金属氧化物的接触电阻较小,从而解释了实验上发现的石墨烯/金属氧化物复合电极相比于金属氧化物明显提高的电化学性能。4、构建了二硫化钼与硫化镉构成的异质结超胞结构,基于密度泛函理论计算了二硫化钼/硫化镉异质结的能带排列,确定了光激发载流子在异质结中的迁移方向,并且发现CdS(001)极性表面中固有电场的存在使得其不同裸露面[CdS(001)-Cd和CdS(001)-S]与二硫化钼接触时的能带排列完全不同。进一步,基于含时密度泛函理论计算研究了异质结中光激发载流子的界面迁移动力学过程,发现由于载流子间的散射,光激发载流子可能会发生二次跃迁,这些理论结果不仅解释了实验发现,而且为半导体异质结中光激发载流子的界面迁移动力学提供了新的物理解释。


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