二维GaN结构、电子能带与热输运性质研究

作     者：蔡学儒 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐东伟

授予年度：2021年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：二维GaN 第一性原理 声子玻尔兹曼方程 电子能带 晶格热导率 

摘      要：Ⅲ-Ⅴ主族半导体材料氮化镓(GaN)具有宽直接带隙、高电子迁移率、高击穿电压、高导热等特性被广泛应用在光电器件及大功率电子器件中。在石墨烯、二硫化钼、硅烯等二维材料被广泛开发的背景下,二维GaN也引起了研究者的广泛关注。二维GaN所表现出的更宽的带隙及更好的光学性能表明该材料是一种非常有潜力的电子材料。当前对于二维GaN的研究主要集中在极性c面,对于非极性m面二维GaN的研究尚缺乏。此外,作为非层状二维材料,二维GaN表面天然存在大量悬键,这些悬键为材料的表面改性提供了巨大的可能。基于上述问题,本文开展了如下工作:利用第一性原理探究了不同层数下m面二维GaN的几何结构及电子能带特征。结果表明,单层m面二维GaN具有平面六角蜂窝状结构,多层m面二维GaN为含褶皱六角单层GaN的堆叠。能带计算结果表明,单层二维GaN具有间接带隙,随层数增加,带隙类型将在12层时发生间接带隙向直接带隙的转变;带隙宽度将先减小后增大,且不断向块体带隙靠近。进一步分析表面,能带的变化主要来自表面几何结构的变化以及中间层层数的增多。在此基础上,我们进一步研究了表面氢原子修饰对m面二维GaN结构及电子能带的影响。对于单层GaN,我们探究了三种不同修饰方式的影响。结果表明,三种修饰均能使单层GaN维持稳定且起到增大带隙的作用,但其中仅Ⅰ型修饰(N-Ga异侧修饰)能使带隙由间接带隙转变为直接带隙。对于双层与三层GaN,表面修饰均能改变带隙类型并增大带隙宽度。利用第一性原理计算原子间力常数,结合声子玻尔兹曼方程对氢化前后单层GaN晶格热导率进行探究。结果表明,氢化对单层GaN晶格热导率的影响不大,使其由70.62 WmK上升至76.23WmK。声学支在单层GaN热导率中占绝对主导。氢化将显著影响声学声子热输运性,使得不同模式声子的热导率贡献值发生明显变化。其中,ZA声子热导率贡献由46.94 WmK下降至26.89 WmK,TA声子热导贡献由17.10 WmK上升至22.99 WmK,LA声子热导贡献从4.4 WmK上升至23.95WmK。进一步分析表明,ZA模式热导率下降来自声子群速及低频区域声子寿命的下降,TA与LA支晶格热导率的提升主要来自声子非谐性下降导致的声子寿命上升。