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第三主族单硫化合物的第一性原理研究

庞凯娟  
【摘要】:英国的物理学家Geim和Novoselov等人使用胶带用机械剥离的方法在2004年首次合成了石墨烯。石墨烯,它是由碳原子构成的二维纳米材料并且它具有很多的卓越性质,吸引了科学家的许多关注。随后,其它的二维材料(2D),如氮化硼(BN)、过渡金属硫族化合物(TMDs)、二维金属氧化物、磷烯、锗烯等也在实验上陆续被合成。除此之外,人们通过构造纵向、横向异质结、表面改性、掺杂其他原子等方法使得二维材料的电子结构和光电性质更加丰富。这些二维材料具有量子效应好、力学强度高、透明性好、比表面积大、活性位点比较多、易于改性等优点。它们在光催化、电容器、传感器等领域有着巨大的应用潜力,值得我们进行更深入的研究。第三主族单硫化合物(MX:M=Ga、In,X=S Se Te)是一种具有蜂窝结构的新型层状材料,具有非常优良的性质。这些二维材料带隙在2.30-3.40 e V之间,并且随着层数的增加带隙开始下降到0.97-3.05 e V范围内。另外它的载流子迁移率也是极高的,例如,对于体块材料Ga S和Ga Se对应的载流子迁移率分别是80 cm2V-1s-1,215 cm2V-1s-1,而单层In Se则是12700 cm2V-1s-1,这使得它们在场效应管方面有极大的应用前景。利用第一性原理计算,人们已经对第三主族单硫化物的结构和电子性质进行了系统的研究,结果表明它们要么具有直接带隙,要么具有几乎可以简并的直接和间接带隙并且它们的带隙可以通过应力或者外部电场调控实现半导体到金属的转变,这些单层也被预测可以通过掺杂变成铁磁性和半金属。本文主要研究了第三主族单硫化合物在吸附气体以及构建异质结之后的电子性质、输运性质以及电子能量损失谱的变化。分析了第三主族单硫化合物作为气体传感器的可行性以及在多功能器件,纳米光子器件方面的广阔应用前景,具体内容如下:基于密度泛函理论(DFT),我们计算了Janus第三主族单硫化合物单层(Ga2SSe,In2SSe)的电子和输运性质,在吸附气体CO_2、NO_2之后,通过检测影响气体传感器性能的几个参数,例如吸附距离、吸附能量、电荷转移量以及态密度(DOS),并且和本征材料吸附模型进行了对比。结果表明:对于极性不同的气体分子(CO_2和NO_2),Janus第三主族单硫化合物(Ga_2SSe,In_2SSe)对极性NO_2气体分子具有很高的选择性。这主要归因于Janus单层的平面外不对称结构引起的内置电场,这种电场增强了极性气体分子与2D材料之间的偶极-偶极相互作用。此外,在气体分子吸附前后Janus第三主族单硫化合物透射光谱的变化进一步证明了这种材料作为高灵敏度气体传感器的可行性。Janus第三主族单硫化合物也可以用作硅的合适基底,并且与硅形成异质结之后,硅的狄拉克电子能带性质也得到了充分保留。由于硅与极性二维(2D)衬底的相互作用,在Dirac点处的最大打开带隙可以达到179 me V。另外,异质结的电子特性还可以通过施加外电场以及双轴应力来调节。我们可以发现:它的带隙将根据外部电场的施加方向和大小而相应的增大或减小。当施加双轴应力时,它的带隙将从半导体逐渐减小,最后变为金属。这些结果表明,带有极性二维衬底的异质结在多功能器件中具有广阔的应用前景。此外,我们还分析了它们的电子能量损失谱(EELs),通过分析电子能量损失谱(EELs),我们可以进一步了解其电子结构。这项工作可以为硅的生长提供良好的衬底,并且电子结构的调制也可以应用于纳米器件和光电器件。


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