二维半导体结构与性能的关系及力学调制研究

论文摘要

二维半导体材料特有的两个特征分别是原子级厚度和本征的能带带隙,这两个特点使二维半导体在新型纳米电子器件上具有巨大的潜在应用价值。二维半导体的电子性质以及载流子输运能力与其结构密切相关,此外电子输运能力的力学调制也是半导体研究领域的热门课题之一。本文以磷烯,Ⅳ-Ⅴ主族半导体以及GeAsSe等二维材料为研究对象,借助第一性原理模拟系统地研究了二维材料中结构与性能之间的关系;对于单层和双层二维半导体,分别采用引入应变和变换堆垛的方法调控体系的载流子输运能力,结果如下1.二维半导体材料γ-CP具有双层类石墨烯的蜂窝结构。根据第一性原理计算结果,利用能量法拟合出单层γ-CP的力学参数,包括杨氏模量,剪切模量以及泊松比等。结果显示,γ-CP的扶手方向杨氏模量高达445.72 GPa,约为石墨烯的一半,剪切模量为178.53 GPa,泊松比却仅为0.064。与超软材料磷烯相比,二维γ-CP抵抗形变的能力更加优秀。在面内方向上,γ-CP的杨氏模量分布近似一个椭圆形,在扶手和锯齿方向,杨氏模量分别达到极大值与极小值,通过经典力学分析也得出γ-CP在力学性能上属于近似各向异性材料。2.黑磷烯是二维半导体材料中典型的代表,它具有优秀的物理化学性质并被广泛研究。借助第一性原理模拟,本文系统地研究了磷烯中结构与电子性质的关系。由于结构中存在大量的磷磷二面角,磷烯在扶手方向的极限应变可以达到30%,锯齿方向的极限应变也能达到27%。此外,磷烯在锯齿和扶手方向的结构各向异性,两个方向也表现出了不同的力学性质。计算结果表明,应变能够显著改变磷烯的电子结构,包括电子局域分布以及能带结构。例如在单轴应变下,单层磷烯由直接带隙转变成间接带隙,同时在不同应变量下,磷烯也会从半导体性转变成金属性。此外,磷烯载流子有效质量也会随应变的引入而发生改变,主要原因是应变改变磷烯的结构进而导致带隙降低以及CBM（VBM）能级发生替换。无应变下黑磷的锯齿和扶手方向电子有效质量分别为1.244 em和0.146em,而当锯齿方向施加应变0.06时,锯齿和扶手方向有效质量分别转变为0.16em和2.78em。当锯齿方向应变由0.06继续增加到0.12时,磷烯扶手方向电子有效质量逐渐减小,而锯齿方向有效质量却保持不变。扶手方向应变为0.06时,锯齿方向电子有效质量从1.27em突降到0.32em,而扶手方向电子有效质量却保持不变。此外,磷烯的本征载流子浓度会随温度的升高而升高。在室温300K下,磷烯的载流子浓度在应变ex（28）00.04（ey（28）00.06）时降低,然后随着应变的增长而急速增长。3.本文提出了一组由IV和V主族元素组成的二维半导体结构,元素比例为1:1,晶胞群组为P（?）m2。这组新型二维半导体材料,除γ-CN外,都具有狭窄的带隙（1.9eV2.7eV）,它们的载流子传输具有高速性和各向异性。本文研究发现,单层Ⅳ-Ⅴ主族二维半导体的电子结构对晶格扶手方向的应变非常敏感。当施加一定的扶手应变时,单层Ⅳ-Ⅴ主族二维材料的CBM能级会被新的能带替换。态密度分析认为Ⅳ-Ⅴ主族二维材料的CBM和VBM能级主要由IV和V元素的p轨道杂化组成。当在结构的扶手方向引入应变时,晶胞中Ⅳ-Ⅴ的键长会被相应的压缩或者拉长,进而改变键的轨道杂化。CBM能带的替换进一步导致了晶格扶手方向的电子有效质量和DP常数发生改变,并最终导致晶格扶手方向自由电子迁移率发生突变。例如,通过施加应变,单层γ-SiAs扶手方向的电子迁移率可以从2.3cm2s-1v-1增长到197.5cm2s-1v-1;单层γ-CAs经应变处理后,电子迁移率从11817.9cm2s-1v-1降低到0.4cm2s-1v-1。应变的施加可以调控单层Ⅳ-Ⅴ主族二维半导体的电子迁移率,实现了体系中电子输运的开启和闭合。这种可调控的自由电子输运,在纳米器件领域将具有很大的应用前景。4.实验制备的块体GeAsSe具有很小的剥离能和很高的范德华间隙,这两点揭示了剥离制备单层GeAsSe将会非常容易。单层GeAsSe在能带结构,电子有效质量,面内刚度和电子传导性上呈现出高度各向异性。例如,在室温300K下,单层GeAsSe在（010）方向的电子迁移率为70cm2v-1s-1,而其（100）方向仅为1.6cm2v-1s-1。文中利用改变层间堆垛方式构建了4种双层GeAsSe模型,这4种堆垛模型展现出了不同的电子性质。例如,堆垛模型I,II和III为间接带隙,而堆垛模型IV却为直接带隙。模型I和II的电子有效质量分布呈高度各向异性,而模型III和IV却呈现各向同性。此外,堆垛也可以用来调控GeAsSe的电子迁移率。例如,双层模型II的y向迁移率率为192cm2v-1s-1,而x向迁移可以小到0.96cm2v-1s-1。与单层相比,双层体系电子输运各向异性得到进一步提升,可近似看作体系内电子单向传导。因此,层间堆垛能够有效调控半导体的电子输运能力,这为材料结构性能的优化处理提供了一条新思路。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 二维材料研究概况
•   1.2 二维半导体载流子传输
•     1.2.1 半导体载流子传输
•     1.2.2 霍尔效应
•     1.2.3 二维半导体载流子传输研究现状
•   1.3 二维材料力学调制——面内应变
•   1.4 二维材料力学调制——层间堆垛
•   1.5 本文研究内容
• 第2章 基本理论及研究方法简介
•   2.1 第一性原理简介
•     2.1.1 绝热近似（Born-Oppenheimer Approximation）
•     2.1.2 单电子近似（Hartree-Fock Approximation）
•   2.2 密度泛函理论
•   2.3 载流子有效质量及迁移率计算方法
•     2.3.1 载流子有效质量
•     2.3.2 本征载流子浓度
•     2.3.3 载流子迁移率
•   2.4 常用的第一性原理计算软件简介
•     2.4.1 CASTEP
•     2.4.2 VASP
• 第3章 二维γ-CP第一性原理力学模型
•   3.1 引言
•   3.2 模拟方法
•   3.3 结构与讨论
•     3.3.1 γ-CP几何模型
•     3.3.2 γ-CP力学模型
•     3.3.3 γ-CP力学性质
•   3.4 经典力学分析
•   3.5 小结
• 第4章 黑磷烯结构应变与电子性质
•   4.1 引言
•   4.2 模拟方法
•   4.3 结果与分析
•     4.3.1 黑磷烯结构
•     4.3.2 黑磷烯电子结构应变效应
•     4.3.3 黑磷烯电子有效质量应变效应
•     4.3.4 黑磷烯空穴有效质量应变效应
•     4.3.5 黑磷烯载流子浓度应变效应
•   4.4 小结
• 第5章 Ⅳ-Ⅴ主族二维半导体载流子传输应变调控
•   5.1 引言
•   5.2 模拟方法
•   5.3 结果与分析
•     5.3.1 单层Ⅳ-Ⅴ主族二维半导体几何结构
•     5.3.2 单层Ⅳ-Ⅴ主族二维半导体电子结构
•     5.3.3 单层Ⅳ-Ⅴ主族二维半导体载流子传导
•     5.3.4 单层Ⅳ-Ⅴ主族二维半导体电子结构应变调控
•     5.3.5 单层Ⅳ-Ⅴ主族二维半导体载流子传导应变调控
•   5.4 小结
• 第6章 二维GeAsSe载流子传输堆垛调控
•   6.1 引言
•   6.2 模拟方法
•   6.3 结果与分析
•     6.3.1 单层GeAsSe的几何机构及力学性能
•     6.3.2 单层GeAsSe的电子结构
•     6.3.3 单层GeAsSe载流子传输
•     6.3.4 堆垛调控双层GeAsSe电子结构
•     6.3.5 堆垛调控双层GeAsSe载流子传输
•   6.4 小结
• 第7章 总结和展望
•   7.1 总结
•   7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与科研项目

文章来源

类型: 博士论文

作者: 张伟

导师: 张平,尹久仁

关键词: 第一性原理,二维半导体,应变,堆垛,载流子迁移率,调控

来源: 湘潭大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 湘潭大学

分类号: O469

DOI: 10.27426/d.cnki.gxtdu.2019.001654

总页数: 126

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