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蓝磷基二维类石墨烯异质结构的能隙调控研究

何文浩  
【摘要】:以石墨烯为主的二维材料,凭借自身优异的机械、电子和光学性能以及仅仅数个原子层厚度的尺寸优势引起各领域研究者的共同关注。除了石墨烯以外,如蓝磷烯、黑磷烯、二维过渡金属硫属化物、碳化硅等自身都具有与三维块体材料完全迥异且突出的优点。同时,在诸多二维材料的研究当中,二维范德华异质结构可谓独树一帜。二维范德华异质结构因其晶体结构上的独特性(即由两种结构相似却性质略有不同的材料组合而成),故它的组成方式多种多样,所带来的性质也能有效的弥补原本二维材料的不足。基于以上优点,进一步加深对二维范德华异质结构的研究显得尤为重要。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,以应变对蓝磷基类石墨烯二维异质结构的调控研究为主线,详细讨论了BP/SiC与BP/XT_2(X=Mo,W;T=S,Se)的几何结构与电子性质,以达到改善电学性质、满足实际应用需求等目的。首先,就BP/SiC异质结构来说,根据其晶格参数适当调整单层BP与单层SiC的超晶胞大小,构建了晶格失配度为2.5%的BP/SiC异质结构。经过研究发现,应变可调控BP/SiC异质结构的带隙值,并当应变为-10%、+10%与+12%时,异质结构发生间接-直接带隙的转变,此时的带隙值分别为0.765 eV、0.859 eV以及0.441 eV。同时,BP/SiC异质结构具有较大的平面平均静电势,证明该异质结构界面处电子与空穴容易分离。其次,对于BP/XT_2异质结构来说,应变能有效的调控异质结构的带隙,使其保持较高的载流子迁移率。此外,当应变处于-2%与-4%条件下时,BP/MoSe_2,BP/WS_2及BP/WSe_2异质结构展现了间接-直接带隙的转变。并且,BP/WT_2(T=S,Se)异质结构均为II型异质结构,这有助于将它们用作光催化剂材料。BP/MoS_2异质结构在外加应变影响下会发生半导体类型的转变(由I型转变为II型)。结果证明,应变可以对BP/SiC与BP/XT_2(X=Mo,W;T=S,Se)异质结构的几何结构与电子性质进行有效的调控,使其在光催化、太阳能电池、光电探测器等领域有着潜在的应用价值。


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