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基于简单液相法对单层二硒化钨表面电荷掺杂的研究

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材料导报 2020年第12期34卷 12025-12029页

作者：狄淑贤赖泳爵邱武林乃波詹达厦门大学材料学院厦门361005 厦门大学物理科学与技术学院厦门361005

本实验利用质量分数为40%的硫酸铵((NH4)2SO4)溶液在相对较低的温度条件下实现了对单层二硒化钨(WSe2)的高效n型掺杂,同时利用浓度为18 mol/L的浓硫酸(H 2SO4)对单层WSe2样品在常温下进行浸泡处理,实现了对该材料的p型掺杂。将本实验的... 详细信息

本实验利用质量分数为40%的硫酸铵((NH4)2SO4)溶液在相对较低的温度条件下实现了对单层二硒化钨(WSe2)的高效n型掺杂,同时利用浓度为18 mol/L的浓硫酸(H 2SO4)对单层WSe2样品在常温下进行浸泡处理,实现了对该材料的p型掺杂。将本实验的n型掺杂样品分别置于不同温度下反应,探索出单层WSe2在液相环境下高效掺杂反应稳定存在的临界温度为140℃。进一步地,通过抽真空和超纯水清洗的手段可分别实现对n型掺杂和p型掺杂WSe2的可回复调控。另外,研究还发现,对样品首先利用(NH4)2SO4溶液进行n型掺杂,再利用浓H2SO4进行p型掺杂的处理,可显著增强p型掺杂的效果。通过对单层WSe2进行简单有效的电荷掺杂,不但可以对其光致发光特性进行相关调制,还为基于WSe2的柔性半导体材料器件的设计提供了科学基础。

关键词：单层二硒化钨电荷掺杂光致发光费米面热稳定性

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电荷掺杂对碱金属吸附硅烯的影响

电荷掺杂对碱金属吸附硅烯的影响

作者：李曼曼上海理工大学

学位级别：硕士

硅烯和石墨烯有相似的蜂窝状结构,因此硅烯和石墨烯有许多相同的优良性能:无质量的狄拉克费米子、狄拉克锥、无带隙和高载流子迁移率等等。不同于石墨烯,硅烯可以通过与衬底之间的相互作用、外部添加垂直电场以及表面吸附等方式打开带... 详细信息

硅烯和石墨烯有相似的蜂窝状结构,因此硅烯和石墨烯有许多相同的优良性能:无质量的狄拉克费米子、狄拉克锥、无带隙和高载流子迁移率等等。不同于石墨烯,硅烯可以通过与衬底之间的相互作用、外部添加垂直电场以及表面吸附等方式打开带隙。特别是表面吸附碱金属,可以在不损失高载流子迁移率的情况下打开硅烯的带隙。研究发现,碱金属吸附的硅烯可作为高性能场效应晶体管的中心区材料。不仅如此,硅烯还可以被用做锂离子和钠离子电池的阳极材料。然而,不论是应用于场效应晶体管还是锂离子和钠离子电池,碱金属吸附的硅烯都不再保持电中性。因此,关于电荷掺杂对碱金属吸附硅烯的影响的研究可以帮助人们更好地将其应用到现代电子工业中去。基于第一性原理计算,本文研究了电荷掺杂对碱金属吸附的硅烯的结构、结合能以及电子结构的影响。此外,我们还计算了掺杂电荷在碱金属和硅烯之间的分布情况。第一章从制备和应用两个方面简要介绍了硅烯。第二章介绍本文所采用的理论研究方法及计算软件,包括:密度泛函理论、交换关联泛函、能带论以及VASP软件包,并且简要介绍了计算过程中的一些细节。第三章介绍了电荷掺杂对碱金属覆盖的硅烯的影响。研究发现,电子掺杂主要影响体系的结构;而空穴掺杂则主要影响体系的结合能以及碱金属与硅烯之间的垂直距离。当空穴的掺杂浓度高达1e/cell时,虽然体系表现为半导体,但高浓度的碱金属并不能稳定吸附在硅烯表面。在吸附浓度为12.5%的体系中,只有钾吸附体系的带隙受电荷掺杂和碱金属与硅烯之间的垂直距离的影响都相对简单,或许更加适用于纳米技术。第四章研究了掺杂电荷在碱金属吸附硅烯体系中的分布。研究发现,碱金属和硅烯之间可能存在着较为复杂的相互作用,包括:静电作用和共价作用等。复杂的相互作用导致了体系的结构和结合能随掺杂电荷量的非单调变化。第五章是全文的简要总结。

关键词：硅烯碱金属表面吸附第一性原理电荷掺杂

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电荷掺杂诱导单层六方氮化硼片ZO模软化

江西理工大学学报 2014年第3期35卷 95-100页

作者：杨巍侯春菊张旭江西理工大学理学院江西赣州341000 江西理工大学材料科学与工程学院江西赣州341000

基于密度泛函理论和密度泛函微扰理论,研究了电荷掺杂对单层六方氮化硼片(h-BN)红外活性的影响.研究发现h-BN片中具有红外活性的ZO模对电荷掺杂表现出强烈的软化行为,这不同于掺杂的石墨烯.而且ZO模对电子掺杂较空穴掺杂更敏感,且在K点... 详细信息

基于密度泛函理论和密度泛函微扰理论,研究了电荷掺杂对单层六方氮化硼片(h-BN)红外活性的影响.研究发现h-BN片中具有红外活性的ZO模对电荷掺杂表现出强烈的软化行为,这不同于掺杂的石墨烯.而且ZO模对电子掺杂较空穴掺杂更敏感,且在K点较M点或Γ点软化得更强烈,频移高达193 cm-1.从原子振动图和ZO模能量差可以清楚地看到红外活性增强主要由ZO(K)模贡献,电荷掺杂引起的电子重新排布是红外活性增强的原因,这对设计具有强红外活性的电子器件具有很好的理论指导作用.

关键词： ZO模软化电荷掺杂单层六方氮化硼片第一性原理计算

电荷掺杂和杂原子掺杂聚硅烷的比较性理论研究

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哈尔滨师范大学自然科学学报 2007年第2期23卷 87-90页

作者：杨路清张辉牟宏晶牛古丹哈尔滨理工大学

本文利用GAUSSIAN 03程序包中的密度泛函理论,在B3LYP/6-31G(d)水平下,对聚21硅烷、电荷掺杂的聚21硅烷以及杂原子(硼和磷)掺杂的聚21硅烷进行几何全优化,并对它们的几何结构和自旋密度进行了比较性理论研究.结果表明,电荷掺杂能使聚硅... 详细信息

本文利用GAUSSIAN 03程序包中的密度泛函理论,在B3LYP/6-31G(d)水平下,对聚21硅烷、电荷掺杂的聚21硅烷以及杂原子(硼和磷)掺杂的聚21硅烷进行几何全优化,并对它们的几何结构和自旋密度进行了比较性理论研究.结果表明,电荷掺杂能使聚硅烷的Si-Si键长增长,其极子分布几乎遍及了聚21硅烷的整个链;而杂原子(B、P)的掺杂对聚硅烷的影响主要集中在与B、P原子相邻的Si原子上,极子分布仅局域在B、P原子附近的3～5个原子上.

关键词：聚硅烷导电性电荷掺杂杂原子掺杂

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σ-π共轭共聚物的电荷掺杂效应

中国科学：化学 2011年第6期41卷 1093-1093页

作者：杨路清尚岩张辉孙苗刘波张桂玲哈尔滨理工大学化学与环境工程学院绿色化工技术省高校重点实验室哈尔滨150080

目前导电高分子材料主要集中在π-共轭的碳链体系和σ-共轭的聚硅烷体系.后来人们在聚合物主链或侧链同时引入π共轭性和σ共轭性的基团,形成σ-π共轭高聚物.这类材料掺杂后电导率能在较宽的范围内变化,从而赋予它们非常独特的光化学... 详细信息

目前导电高分子材料主要集中在π-共轭的碳链体系和σ-共轭的聚硅烷体系.后来人们在聚合物主链或侧链同时引入π共轭性和σ共轭性的基团,形成σ-π共轭高聚物.这类材料掺杂后电导率能在较宽的范围内变化,从而赋予它们非常独特的光化学和光物理性质,可用作导体与半导体、光导体材料,以及非线性光学材料、光致抗蚀剂、电致发光装置中的发光二级管等,有可能成为方兴未艾的信息技术所必需的集成电子器件或集成光子器件中的关键材料之一.同π共轭和σ共轭体系相类似,σ-π共轭体系也只有在掺杂引入载流子的情况下才能导电.相比之下,对依赖于σ-π共轭体系的导电机理研究很少.例如,实验发现nSix(C=C)y掺杂后电导率先升高到10-3Scm-1后又降低到10-7Scm-1,这种现象在π共轭和σ共轭体系中并没有发现,至今也没有理论和实验解释.这类材料的导电性主要依赖于σ-共轭与π-共轭的组合程度以及它们的内部电子结构,因此开展这方面的理论研究工作是很必要的.本文选用了主链含有30个原子的nSix(C=C)y+进行了理论研究,以期为有目的地组合配置σ-共轭和π-共轭的组合结构开发新型光电功能材料提供理论支持.从能量最低稳定单元出发建立了计算模型并根据以前的工作结果选择了计算方法.本文用密度泛函理论,在6-31+G(d)基组和BH&HLYP泛函下,对未掺杂的nSix(C=C)y和电荷掺杂的nSix(C=C)y+的7种19个共聚体进行了几何全优化,在优化的几何构型和相同的计算方法基础上进行了TDDFT激发态光谱的计算,以上工作在Gaussian03程序包下进行的.然后将6-31+G(d)/BH&HLYP优化构型在gOpenMol2.32程序下进行了静电势的计算.从几何、激发能、自旋密度、静电势、电离能和载流子传输速率几个方面讨论了电荷掺杂对σ-π共轭体系电子结构和传输性质的影响.计算结果表明,电荷掺杂能够明显降低激发能,链间的空穴跳跃传输主要发生在π共轭片段,掺杂后的nSix(C=C)y+能够发生结构重排,重排后的UV/vis吸收峰比重排前落于更高的能量区域,并且重排后空穴传输速率比重排前大大降低了.这些理论结果能够很好地解释上面提到的实验现象.

关键词：有机硅聚合物理论研究电荷掺杂

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掺杂调控材料性能的第一性原理研究

掺杂调控材料性能的第一性原理研究

作者：章晴山东大学

学位级别：硕士

掺杂是调控材料性质的重要手段,比如材料的电性、磁性和结构等都可以通过掺杂进行调控。掺杂的方式多种多样,磷或镓原子掺杂Si形成N或P型半导体,用于制造各种类型的半导体器件;不同金属离子掺杂的固体无机化合物会产生不同性质的发光材... 详细信息

掺杂是调控材料性质的重要手段,比如材料的电性、磁性和结构等都可以通过掺杂进行调控。掺杂的方式多种多样,磷或镓原子掺杂Si形成N或P型半导体,用于制造各种类型的半导体器件;不同金属离子掺杂的固体无机化合物会产生不同性质的发光材料,比如铕离子掺杂氧化钇产生发红光的荧光材料。本文主要研究了离子替换掺杂对HfO2结构稳定性及结构演化的影响,以及载流子掺杂对二维(2D)过渡金属磷硫(硒)化合物(MPX3,M=Mn,Fe,Ni,Co;X=S,Se)磁性影响。HfO2作为Si替代材料,具有宽带隙和高介电常数,可以解决MOS晶体管中SiO2/Si尺寸极限问题,因而受到了广泛关注。实验上,通过对HfO2薄膜进行不同元素(Si,Al,La,Y,Zr)及氧空位掺杂,可以显著提高其铁电性能。在本工作中发现,一定条件下对HfO2离子掺杂会影响HfO2晶体结构的稳定性。具体来说,通过碱土离子(A2+)掺杂HfO2,会形成一种具有超高储能密度与效率的非晶结构。由于萤石矿HfO2与钙钛矿AHfO3中金属原子的位置在晶格结构上具有相似性,O分布位置不同,并且AHfO3中O的化学计量比低于HfO2。研究发现,掺杂A2+可以影响O2+的稳定性,进而调节O的化学计量比及分布,实现在HfO2与AHfO3两种结构之间转换。有趣的是,在合适的掺杂浓度区间,由于O2+的化学计量比降低,以及O2+的不稳定性会破坏HfO2晶体的长程周期性,而此时O/金属的摩尔比不足以形成AHfO3晶体,导致A-Hf-O体系坍塌成非晶态。通过DFT计算了 A2+不同掺杂浓度下的氧空位形成能(Ef(Vo))。对于t-HfO2掺杂A2+后,Ef(VO)急剧下降,变为负值,意味着O2+不稳定,倾向于形成Vo以维持电中性。因此,体系的化学计量比被改变,破坏了原有的体系结构,并造成O2+的重新分布。此外,系统总结了其他元素掺杂对HfO2薄膜结构稳定性的影响。另一方面,研究了载流子掺杂对2D AFM材料FePS3和MnPSe3电子结构和磁性的调控。发现载流子掺杂可以诱导2DMPX3化合物磁性的转变。对于FePS3,当电子掺杂浓度为0.3-0.9 e/cell时,体系发生AFM-FM转变;当电子浓度大于0.9 e/cell时,体系发生FM-AFM转变。这种现象是由于不同掺杂浓度下,Stoner交换主导的链间FM序与超交换主导的AFM序之间竞争导致的。对于单层MnPSe3,当电子或空穴浓度大于0.15 e/unit cell时,体系发生AFM-FM转变。研究载流子掺杂对2D材料磁性的调控,为设计新型自旋电子器件提供了参考。本文共分为五个部分,第一部分为绪论;第二部分介绍了第一性原理的理论方法;第三部分讨论了掺杂对HfO2晶体结构稳定性的影响;第四部分讨论了载流子掺杂对FePS3和MnPSe3磁性的调控;第五部分总结。

关键词： HfO2 氧空位结构稳定性 FePS3/MnPSe3 电荷掺杂磁性转变第一性原理计算

二维过渡金属硫族化合物VSe2超导电性的第一性原理研究

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二维过渡金属硫族化合物VSe2超导电性的第一性原理研究

作者：付新朋内蒙古大学

学位级别：硕士

过渡金属硫族化合物(transition metal dichalcogenides,TMDC)作为典型的二维材料,一般具有丰富的物理性质,不管磁学性质、光学性质还是超导电性。都为相关性质的研究提供了优秀的平台。大多数TMDC以1T相和2H相两种晶体结构稳定存在,其... 详细信息

过渡金属硫族化合物(transition metal dichalcogenides,TMDC)作为典型的二维材料,一般具有丰富的物理性质,不管磁学性质、光学性质还是超导电性。都为相关性质的研究提供了优秀的平台。大多数TMDC以1T相和2H相两种晶体结构稳定存在,其物理性质取决于相的对称性。在TMDC众多物理性质中,电荷密度波(charge density wave,CDW)转变和超导电性转变存在有趣的竞争和共存关系。除此之外通过破坏对称性产生新的相变,进而材料展现出新的属性,因此近年来备受学术界的关注。最近,1T-VSe的相关研究报道层出不穷。特别是,毛河光教授领导的实验团队通过高压实验发现,当压强大于15GPa时,1T-VSe发生了晶体结构相变,由常压下的六角晶系转变为高压正交晶系;而S.Sahoo等人发现,当压强高于15GPa时,1T-VSe中的CDW态被完全抑制,并出现了超导态。这些实验结果使我们对1T-VSe的相关现象的理论研究产生了极大的研究兴趣。基于以上考虑,本文通过第一性原理计算的办法,系统地研究了外加压强以及电荷掺杂对1T-VSe的CDW转变以及超导转变温度(T)的影响机制。声子谱的计算结果表明,外加压强和电荷掺杂会显著地消除六角晶系1T-VSe的声子软膜。当压强或掺杂浓度增大到一定程度,声子的虚频会被完全消除,意味着体系的CDW转变被完全抑制。通过详细的计算,我们找到了抑制CDW转变的临界压强和临界电荷掺杂浓度。我们发现临界压强约为12GPa,这与实验所得的12.1GPa的结果非常接近。我们计算了15.5GPa到35GPa的压强范围内正交晶系的VSe的电声子耦合系数以及超导转变温度T。计算发现,当压强等于15.5 GPa时,T约为4K,在压强增加到35GPa时,T值缓慢增大到4.9K。这是因为随着压强的增大,体系电声耦合强度不断增强,从而导致T随着压强的增加而有所增大。此外,为了对比,我们还计算了相同压强条件下,六角晶系VSe的超导转变温度,我们的计算结果与实验压强范围内所得结果基本吻合。此外,我们还计算研究了零压下1T-VSe中的CDW转变及超导转变温度对电子和空穴掺杂的响应。计算发现,在分别掺入适当的电子和空穴浓度后,体系的CDW转变同样可以被抑制,并且在一定的掺杂浓度区间,体系出现超导态,超导转变温度都随着掺杂浓度的升高而升高,但是电子掺杂和空穴掺杂得到的T值相差甚远,在电子掺杂浓度最大时T为10.2K。相同浓度下的空穴掺杂得到的转变温度却为5.8K。但相比于对其施加压强的T值却有一定的提升。基于这些结果,我们知道1T-VSe中CDW与超导态无法共存,并且1T-VSe材料的超导转变温度随着压强的增加、以及电荷浓度的提高而增加,但是电荷掺杂对T值的提高有着更加明显的效果。

关键词：二维过渡金属硫族化合物密度泛函理论电荷掺杂压强电荷密度波超导态

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单层二维纳米结构的构筑及性能调控研究

单层二维纳米结构的构筑及性能调控研究

作者：朱丽莹南昌大学

学位级别：硕士

由于超薄的厚度,单层二维纳米结构具有许多优异的性能以及广阔的应用前景,因此制备单层二维纳米结构并实现性能的调控尤其重要。本论文主要通过实验和理论方法实现单层二维纳米结构的构筑和性能的调控,具体如下:1)利用室温超高真空扫描... 详细信息

由于超薄的厚度,单层二维纳米结构具有许多优异的性能以及广阔的应用前景,因此制备单层二维纳米结构并实现性能的调控尤其重要。本论文主要通过实验和理论方法实现单层二维纳米结构的构筑和性能的调控,具体如下:1)利用室温超高真空扫描隧道显微镜（STM）观测到生物分子5-氨基嘧啶[4,5-d]嘧啶-2,4（3H,8H）-二酮（AT）在银表面上形成的单层二维纳米结构,并以此为分子模板,实现了对富勒烯纳米结构的调控。利用Ag（111）表面AT分子的环状自组装结构,构筑了富勒烯环状纳米结构;利用Ag（110）表面AT分子形成的大面积链状单晶,构筑了富勒烯线性结构,且线性结构的富勒烯在分子上的长度不一但是他们的方向都是与分子链的夹角为40度。2)通过基于密度泛函理论的第一性原理,揭示了电荷掺杂是调控单层Ⅳ族硫属化物MX（M=Ge,Sn;X=S,Se）二维材料铁电性的有效方法。计算表明,空穴掺杂可以减弱甚至完全抑制SnSe中的铁电极化,即铁电相转变为顺电相。该性质可以通过材料中键强度随电荷掺杂变化来解释。此外,电荷掺杂可以有效改变MX的晶格常数,表明这些二维材料适用于与其它二维材料构造范德华异质结,其中莫尔斑点周期可通过电荷掺杂有效调控。

关键词：扫描隧道显微镜富勒烯第一性原理铁电性电荷掺杂

二维BeP2C中电-声子相互作用和输运性质的第一性原理研究

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二维BeP2C中电-声子相互作用和输运性质的第一性原理研究

作者：乌云达来内蒙古大学

学位级别：硕士

在光电转换过程中,普遍存在快速热化现象,这将影响光电器件的性能。热载流子弛豫时间是影响热化的一个关键因素,因此,研究者通过提升热载流子弛豫时间,进而提高器件的光电转换效率。2019年,有研究者通过理论研究发现了一种可用于光电转... 详细信息

在光电转换过程中,普遍存在快速热化现象,这将影响光电器件的性能。热载流子弛豫时间是影响热化的一个关键因素,因此,研究者通过提升热载流子弛豫时间,进而提高器件的光电转换效率。2019年,有研究者通过理论研究发现了一种可用于光电转换器件的二维BePC材料。为进一步了解二维BePC的性质,我们使用密度泛函理论计算了材料的电子能带结构和声子谱,并利用瓦尼尔插值法计算了0 K和300 K时的电-声子散射率、热载流子弛豫时间和平均自由程等,进一步探讨了电荷掺杂情况下这种材料的相关输运性质。本文的内容主要由两部分组成,在第一部分中,我们首先在结构优化的基础上,计算了二维BePC的电-声子散射率、热载流子弛豫时间和平均自由程。计算结果表明,在费米能级附近,电-声子散射率比较小,随着能量远离费米能级,散射率先增大,到达极大值之后,又逐渐减小。当温度为0 K时,在能量为2.2 eV处电-声子散射率达到极大值,约为3.0×10s;当温度增加到300K时,在能量为3.0 eV处达到极大值,是0 K时的两倍之大,约为6.1×10s。这说明,电-声子散射率随温度的增加而增大。在温度0 K到300 K时,热载流子弛豫时间的最大值分别是800 fs和20 fs,平均自由程的最大值分别是240 nm和100 nm。与电-声子散射率相比,热载流子弛豫时间和平均自由程都出现相反的趋势。在第二部分中,我们主要研究了0 K和300 K时掺杂电子的二维BePC中的电-声子散射率、热载流子弛豫时间和平均自由程。当温度为0 K和300 K两种时,掺杂电子的电-声子散射率在1.9 eV处都具有最大值,分别为6.0×10s和4.0×10s。当温度为0 K和300 K时,掺杂电子的热载流子弛豫时间在0 eV处的达到780 fs和180 fs。当温度为0 K时,掺杂电子的平均自由程范围为100 nm。当温度为300 K时,掺杂电子的平均自由程范围为50 nm。在第三部分中,我们进行计算了掺杂空穴的电-声子散射率,温度分别是0K和300 K。当温度为0 K和300 K时,掺杂空穴的电-声子散射率在3.2 eV处都达到极大值,分别是4.0×10s和7.5×10s。这表明,随着温度的升高,电-声子散射率也在增大。但是,与电-声子散射率相比,热载流子弛豫时间出现相反的趋势。在0 K时,热载流子弛豫时间达到了70 fs。当温度增加到300 K时,热载流子弛豫时间缩短到10 fs。通过研究表明,与二维BePC的热载流子弛豫时间相比,掺杂空穴有助于提高热载流子弛豫时间。当温度为0 K时,掺杂空穴的平均自由程范围为400 nm。当温度为300 K时,掺杂空穴的平均自由程范围为200 nm。通过比较BePC和黑磷烯的输运性质,发现BePC和黑磷烯的热载流子弛豫时间非常相近,均在在800 fs。这说明,BePC和黑磷烯的光电转换效率可能是相同的。

关键词：第一性原理电-声子散射率热载流子弛豫时间平均自由程电荷掺杂