二维材料电子性质的计算模拟

作     者：龙倩倩 

作者单位：常州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐月华

授予年度：2023年

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

主      题：二维半导体材料 密度泛函理论 载流子迁移率 光催化水分解 异质结 

摘      要：载流子迁移率会影响基于二维材料设计的器件的开关比、电导率等参数,可以为研究二维材料的应用提供参考价值。在实际应用中仅仅具有高载流子迁移率是不够的,带隙也是评价一个材料能否应用的重要条件之一。高的各向异性载流子迁移率且带隙合适的二维材料可以有效地抑制电子和空穴的复合行为,促进整体光催化水分解反应的发生。但是这类二维材料能够应用的数量过少,因此探索更多具有合适带隙、高的各向异性载流子迁移率的2D材料是有必要的。本文基于第一性原理计算,研究这类二维材料的电子性质和应用,并通过应变工程、异质结等方法对其性质进行调控。本文的主要研究内容如下:1、对单层紫磷（VP）的研究侧重于两个方面:单层VP的电子性质;石墨烯（graphene）/VP异质结的结构稳定性和外加电场下异质结的能带变化情况。基于第一性原理计算结果表明:单层VP的载流子迁移率在不同方向上的表现不尽相同,在a方向上,空穴的迁移率大于电子的迁移率,然而b方向与a方向的情况相反。并且a方向空穴的迁移率与黑磷的载流子迁移率是同一量级,这意味着在a方向,单层VP是一个好的空穴运输材料。此项工作结合了外加电场探索了graphene/VP异质结的性质。graphene/VP异质结的结构具有稳定性。当施加在graphene/VP异质结上的电场强度大于2 Vnm时,肖特基势垒会变为欧姆接触,会促进载流子的注入。综上所述,二维半导体VP在纳米电子领域有潜在的应用。2、对单层CuClSeHg的研究侧重于两个方面:电子性质的研究和光催化水分解的应用研究。基于第一性原理的计算结果表明:单层CuClSeHg具有0.91/2 e V（PBE/HSE06）的直接带隙,而且载流子迁移率呈现各向异性。各项异性载流子迁移率表现为:在a方向,电子迁移率是空穴迁移率的2.5倍,然而,在b方向,电子迁移率是空穴迁移率的8.9倍。同时,单层CuClSeHg表现出优异的光学性质。CuClSeHg在可见光区和紫外线区有高的光吸收系数(10～5 cm)。这项工作结合应变工程探索了单层CuClSeHg在光催化水分解领域的应用。在a和b方向上施加单轴应变,CBM/VBM能级位置的变化呈现各向异性。在a方向施加单轴应变,CBM相对于真空能级的位置几乎没有变化,然而,随着压缩应力的增加,VBM向高能量方向移动,并接近O/HO的氧化电势。在b方向上施加单轴应变,VBM相对于真空能级的位置没有变化,但是CBM随着拉伸应力的增大向低能量的方向移动,靠近H/H还原电势。以上研究结果表明:单层CuClSeHg对晶体取向场效应管、传感器二极管、偏振敏感探测器和光催化水分解等方面的应用有显著的吸引力。