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基于PtSe_2及其异质结光电性能的研究

杜娟  
【摘要】:英国的两名物理学家从石墨上剥离出石墨烯,并因此获得了诺贝尔物理学奖,引发了全世界范围的研究热潮。新奇的力学、电学性质使得石墨烯具有广泛的应用潜力。但是,石墨烯零带隙半金属的性质致使它的应用潜能受到一定的限制。因此,研究者们开始探寻其它的二维材料作为石墨烯的替代材料。近几年来,单元素类石墨烯材料(磷烯、砷烯)、层状过渡金属二硫属化合物(如二硫化钼)以及氮化硼等,已经成功地应用在光电探测器和场效应晶体管(FET)等光电子器件上,并展现出优异的光电特性。由于单个材料很难满足人们对器件的需求,人们将多种二维材料层间堆叠构成范得瓦尔斯异质结构,该结构不仅能够克服单个材料的不足,还可以提升材料的光电特性。实验上通过机械转移或者化学气相沉积生长等方法合成范得瓦尔斯异质结。本论文分析了单层PtX_2(X=S,Se,Te)的力学、电学、光学等性质,同时又探究了PtSe_2/Graphene、PtSe_2/BN和PtSe_2/BN/Graphene三种异质结的光、电等方面的性能。在实际应用中,人们通常采用应力、电场等手段调控光电特性,本论文对以上多种结构的电子性质在应变和外加电场的响应情况也作了讨论,得到的主要结论如下:(1)由于具有相同的原子构型和空间对称性,单层PtS_2,PtSe_2和PtTe_2具有相似的力学、电学、光学等性质。同时,随着S,Se,Te原子数目的增加,单层PtS_2,PtSe_2和PtTe_2的面内刚度呈现下降趋势。应变使单层PtS_2,PtSe_2和PtTe_2的光吸收峰出现红移的现象,即向能量低的方向移动。此外,单层PtS_2,PtSe_2和PtTe_2在合适的双轴应变范围内实现了带隙可调。在拉伸应变下,单层PtTe_2实现间接带隙到直接带隙的转变。这些结果将为其在纳米电子器件中的应用开辟了新的机会。(2)将单层PtSe_2和多层Graphene堆叠构成PtSe_2/Graphene多层异质结。研究结果表明:Graphene堆积方式和堆积厚度不同,PtSe_2/Graphene多层异质结都表现出很低的势垒高度。在PtSe_2/Graphene、PtSe_2/Graphene/Graphene和PtSe_2/Graphene/Graphene/Gra phene三种异质结中,外部电场可以轻易将n型肖特基接触转变为p型肖特基接触,再到欧姆接触。而Graphene/PtSe_2/Graphene异质结的肖特基势垒高度对于外加电场是不敏感。此外,在Bernal PtSe_2/Graphene/Graphene异质结中,它的带隙在外加电场作用下逐渐增大。这些结果对高性能场效应晶体管的设计有一定的指导意义。(3)以BN为衬底和PtSe_2堆积在一起形成I型异质结,导带底和价带顶均由PtSe_2贡献。同时外加电场的调控可以实现目前所有的能带对齐方式(I、II型)和带隙可调性。对于Hexagonal和Bernal堆积方式的BN/PtSe_2/Graphene多层异质结,当层间距减少时,石墨烯的带隙可以明显增大。势垒高度和接触类型可以通过外加电场改变。这些发现为指导基于PtSe_2的电子器件的设计提供了一定的指导意义。


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