蓝磷及相关结构的电子性质研究和能带调控

论文摘要

石墨烯的成功制备使二维材料研究产生了质的变化,石墨烯拥有超高的载流子迁移率和优良的光电性质和力学性质,使得研究人员加快了探索二维材料性质、应用等方面的步伐。在本文中采用密度泛函理论第一性原理方法对蓝磷及其相关结构等二维材料的电子特性及光学性质进行了研究。首先,研究计算了1～4层蓝磷烯结构及其电子特性。研究结果表明单层蓝磷烯是间接带隙半导体,带隙大小为1.93 eV,当增加结构的层数并且变换叠加方式时,带隙随着层数增加而减小。对其施加电场和应力,发现两者都可以使材料实现带隙的开合,并且应力还能使二层以上的结构产生间接到直接带隙半导体的转变,这些研究结构有助于利用其电子性质设计受应变和电场控制的on/off纳米器件。此外,本论文中还计算了结构的光学性质,研究结果表明材料在紫外区域有着很好的吸收强度,可以作为紫外探测器件的备选材料,研究结果为有效调控蓝磷烯的电子性质提供了一定的理论基础。其次,在单层蓝磷烯基础上设计了单层ZnO薄膜和蓝磷烯的异质结构,并计算了它们的光电性质,并施加应变和电场调控它们的带隙。计算结果表明,hollow、O和Zn-构型三种异质结构都为间接带隙半导体,带隙大小约为1.0 eV。通过应力和电场,可以调控结构的带隙,压缩应变可以使结构有半导体到导体的转变,而拉伸应变和电场可以有效减小带隙的数值。光学性质计算结果显示异质结构在可见光和紫外光区都有较好的吸收强度,但是最高吸收强度还是位于紫外光区域。研究结果对于基于蓝磷烯结构的器件设计是非常重要的,也为器件制造提供了一定的理论基础。然后,为了更加系统的研究蓝磷烯材料,利用非金属原子对蓝磷超晶胞进行掺杂,计算其光电性质,并分析其中的物理意义。研究结果表明,部分掺杂原子会诱导体系产生轻微磁性,并在费米面附近产生杂质能级,掺杂原子也改变了本征蓝磷烯的光学性质,产生了一系列吸收峰,使材料在紫外区域有很高强度的吸收率,本论文的研究结果可以为蓝磷的掺杂体系研究提供可靠的理论基础。最后,预测了一种二维的磷基结构--GeP,计算结果表明材料具有动力学稳定性,并且在热力学温度800K时仍旧保持完整的形状,并且结构具有1.5 eV的带隙,外部应变可以调控带隙开合,光学性质的计算表明结构在紫外区域有良好的吸收。计算结果对于研究高温光电探测器有一定的帮助,能为器件设计、制备提供很大的理论支撑。

论文目录

摘要

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第一章绪论

1.1 引言

1.2 研究现状

1.3 研究内容

第二章研究方法及理论基础

2.1 基态密度泛函理论介绍

2.1.1 Thomas-Fermi模型

2.1.2 Hohenberg-Kohn定理

2.1.3 Kohn-Sham方程

2.2 近似密度泛函

2.2.1 局域密度近似（Local Density Approximation,LDA）

2.2.2 广义梯度近似（Generalized Gradient Approximation,GGA）

2.3 平面波基组和赝势

第三章 1～4层蓝磷纳米材料的光电性质研究

3.1 1～4 层蓝磷烯的本征性质

3.2 应力和电场作用下的蓝磷烯的电子特性和稳定性

3.2.1 1～4 层蓝磷烯的稳定性

3.2.2 应力和电场作用下的1～4 层蓝磷烯结构的电子性质

3.3 1～4 层蓝磷烯的光学性质

3.4 本章小结

第四章 Blue phosphorene/ZnO monolayer异质结构光电性质的研究

4.1 Blue P/ZnO Monolayer构型和本征性质

4.2 电场和应力作用下Blue P/ZnO Monolayer异质结的电子性质

4.3 Blue P/ZnO Monolayer异质结构的光学性质

4.4 本章小结

第五章蓝磷烯掺杂非金属原子电子性质的研究

5.1 非金属原子掺杂蓝磷烯的电子性质研究

5.1.1 理论模型的建立与计算

5.1.2 非金属原子掺杂单层蓝磷烯的能带结构和态密度分析

5.2 非金属原子掺杂蓝磷烯的光学性质研究

5.3 本章小结

第六章二维GeP材料光电性质的研究

6.1 二维GeP结构的模型建立和稳定性研究

6.2 二维GeP结构的电子性质研究和能带调控

6.3 二维GeP结构光学性质的研究

6.4 本章小结

第七章结论和展望

参考文献

致谢

附录

一、在校期间发表的学术论文

二、在校期间参加的项目

三、在校期间获奖情况

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李兵

导师: 王培吉

关键词: 第一性原理,蓝磷烯,薄膜,掺杂,异质结,光电性质

来源: 济南大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,材料科学

单位: 济南大学

分类号: O469;TB34

DOI: 10.27166/d.cnki.gsdcc.2019.000029

总页数: 68

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蓝磷及相关结构的电子性质研究和能带调控

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