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新型二维半导体材料磷烯吸附原子的性质研究

樊俊芳  
【摘要】:表面原子吸附是改变半导体材料物理和化学性质的最有效的方法之一。将金属或非金属原子吸附到单层黑磷(磷烯“phosphorene”)材料的表面,可以引起磷烯的能带结构、电子态密度等电子结构和光学性质的改变。经过表面原子吸附处理的磷烯材料可以具有不同于本征磷烯的新特性,尤其是导电性和磁性的改变。基于量子力学和密度泛函理论的第一性原理的计算方法,是研究材料表面原子吸附的性能和微观结构变化的一种比较有效的方法。利用第一性原理的计算方法进行表面吸附研究,不但可以详细而又深入的了解磷烯材料的微观几何结构和其电子结构,从理论上验证一些实验现象的正确性和精确性,还可以探究材料的一些未知的特性,进而推进新材料的研发。本论文的研究工作主要分为以下几个部分:第一部分研究了本征磷烯(phosphorene)的原子结构、电子结构和磁性。单层黑磷的结构为正交结构,它的空间群为Cmca(No.64),是一种典型的直接带隙二维半导体材料。本文具体对其能带结构和电子态密度进行了详细的理论分析。计算结果验证了实验所得的磷烯所具有的物理特性的正确性。第二部分研究了磷烯表面吸附C、N、O、Na、Mg、Al原子的基本物理特性,包括最稳定吸附位置、体系的几何结构和电荷转移情况等,并对计算结果进行了系统的分析。磷烯与金属原子以及非金属原子之间的相互作用都比较强,吸附能也比较大。磷烯表面吸附非金属原子时,磷烯的P原子与非金属原子形成了作用力比较强的共价键。吸附金属原子时,其结合能比石墨烯的结合能要大得多,结构更加稳定。电子由金属原子转移到了磷烯表面,这在磷烯作为电池电极材料方面有积极的作用。最后分析了磷烯吸附不同的原子后,其体系的能带结构的变化和电子态密度随能量变化的规律。本文针对不同的吸附原子,计算得出了他们的能带结构图、总的态密度和分波态密度图,分阶段分析了磷烯体系态密度的来源。根据计算,吸附N、Na、Al原子时,磷烯材料由直接带隙性质的半导体转化成了导体。吸附C原子时,其体系比较特殊,由于自旋磁性的影响,材料的能带结构分为上下自旋能带,材料的性质仍为半导体。吸附Mg原子时,体系保持半导体特性,带隙比本征态时的带隙要小。由于Mg原子的加入,体系由直接带隙半导体转变为了间接带隙的半导体。吸附O原子时,体系同样保持半导体特性,O原子对体系能带以及态密度的影响很小,其能带结构与本征态的磷烯最为相似。通过对磷烯体系的系统分析,我们发现原子吸附影响磷烯特性发生改变的主要原因是不同原子间的相互作用和各不相同的电子转移情况。这些理论结论可以为磷烯的更深层次的研究提供有效的数据。


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