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二维材料异质结(BP/g-GaN,Bi_2Te_3/Graphene)的光催化和热电性质的研究

郭晶晶  
【摘要】:随着石墨烯的成功剥离,二维材料引起了人们的广泛关注,到目前为止科学家们已经发现了各种性质不同的二维材料,包含了绝缘体、半导体和金属等。同时二维材料的应用也是相当广泛。类似三维结构的异质结,二维材料也可以像乐高玩具一样进行堆叠。并且这些性质迥异的二维材料在堆叠到一起之后可以得到令人惊奇的物理化学性质。热电材料是可以使热能-电能之间直接进行转换的材料。通过热电材料制造的热电器件在废热发电和制冷等方面有非常重要的应用前景。同时热电器件所具备得结构简单、无噪音、无活动装置等优点使其被全世界的科学家进行了广泛研究。热电材料的性能好坏主要与热电优值(ZT值)有关。它是衡量和评价热电材料性能好坏的一个参数。它主要与材料本身的塞贝克系数,电导率和热导率有密切关系。要想提高ZT值,就需要优化ZT表达式中的各个输运系数即比较高的塞贝克系数,电导率以及比较低的热导率。而低维化材料可以使塞贝克系数显著提高,同时纳米化增强声子散射同时大幅度降低热导率。在本文中,我们采用第一性原理计算的方法研究了二维材料异质结电子结构和热电性质。具体的工作如下所述:(1)基于密度泛函理论采用第一性原理计算了蓝磷/类石墨烯结构的氮化镓(BP/g-GaN)范德华异质结构的界面性质。BP和g-GaN纳米薄片的价带和导带边缘位置随着费米能级的变化而变化,形成了II型异质结构。同时内建电场促进电子-空穴对的分离。(2)采用第一性原理计算,研究了单层和双层BP/g-GaN范德华异质结构的结构和电子性质。结果表明,单层BP/g-GaN范德华异质结构是一种具有本征II型带对准的间接带隙半导体。更重要的是,外部电场对单层BP/g-GaN和双层BP/g-GaN的带隙进行了调谐,带隙与外部电场的关系显示出的斯塔克效应。在强电场下发生半导体到金属的转变。(3)利用第一性原理方法结合半经典玻耳兹曼输运理论进行计算,研究了Bi_2Te_3和1-3层石墨烯异质结构的电子和热电性能。计算了层数和堆垛方式对Bi_2Te_3/Graphene异质结的热电性能的影响。由于其低维化引起的量子尺寸效应,有效的提高了热电材料的功率因子。


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