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InSe/Se范德瓦尔斯异质结的可控制备及其高响应度广光谱光电探测器（英文）

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发光学报 2019年第11期40卷 1409-1416页

作者：陈洪宇尚慧明戴明金王月飞李炳生胡平安哈尔滨工业大学物理学院黑龙江哈尔滨150080 哈尔滨工业大学化工与化学学院黑龙江哈尔滨150080 哈尔滨工业大学微系统与微结构制造教育部重点实验室黑龙江哈尔滨150080

为了实现紫外-可见波段的高响应度/低成本的广光谱光电探测,我们制备了基于一维p型Se微米线与二维n型InSe纳米片的混维范德瓦尔斯异质结广光谱探测器。得益于Se微米线与二维层状结构InSe纳米片的高结晶质量,该器件在紫外-可见光广光谱... 详细信息

为了实现紫外-可见波段的高响应度/低成本的广光谱光电探测,我们制备了基于一维p型Se微米线与二维n型InSe纳米片的混维范德瓦尔斯异质结广光谱探测器。得益于Se微米线与二维层状结构InSe纳米片的高结晶质量,该器件在紫外-可见光广光谱范围都具有非常高的响应度,该器件的响应截止边为700 nm。值得指出的是,该器件在-5 V的偏压下,对460 nm的光源响应度可以达到108 mA/W,该数值比原来的Se探测器高了800%。这项研究有利于拓展我们对范德瓦尔斯异质结的认识,也为今后制备高性能的低维光电探测器提供了一种新的途径。

关键词：半导体范德瓦尔斯异质结光电探测器多层结构

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范德瓦尔斯异质结光电特性研究

范德瓦尔斯异质结光电特性研究

作者：刘江涛中国矿业大学

学位级别：硕士

二维材料无论在制备和应用都取得了巨大成功,但随着研究的深入,我们发现单一的二维材料在应用方面往往存在局限性。为此,研究者将目光投向了范德瓦尔斯异质结,其通过垂直堆叠两种二维材料形成,依靠两个二维材料层间微弱的范德华力结合... 详细信息

二维材料无论在制备和应用都取得了巨大成功,但随着研究的深入,我们发现单一的二维材料在应用方面往往存在局限性。为此,研究者将目光投向了范德瓦尔斯异质结,其通过垂直堆叠两种二维材料形成,依靠两个二维材料层间微弱的范德华力结合在一起。与传统的体材料异质结相比,对于材料的晶格匹配度要求不严格,这样就可以通过构建多种范德瓦尔斯异质结结构,寻找新颖的物理性质,这些范德瓦尔斯异质结性质往往可以结合每个单层的优异性能,这对于开发新型应用极为有利,因此探索范德瓦尔斯异质结构的工作也变得更加有意义。本工作中的所有第一性原理计算均基于密度泛函理论并通过VASP模拟软件包实现。本文重点研究了几种二维过渡金属硫属化合物(TMDs)材料及其异质结的电子与光学性质,其中研究内容主要包括结构参数、稳定性、声子谱、能带结构、态密度、能带排列,平均静电势、电荷分布与转移,吸收光谱等。这些结果可为寻找和设计新型光电子器件提供理论支持。具体研究如下:1.计算了TMDs家族中的WS,WSe和WTe单层的晶格常数、能带结构、电子态密度和光学性质,并且考虑了自旋轨道耦合对其能带结构的影响。同时研究了双轴应变对WS,WSe和WTe单层的结构参数、电子性质以及光学性质的影响,最后分析了双轴应变对单层电子结构和光学性质影响的机制问题。2.对于As/MoTe范德瓦尔斯异质结构,考虑了六种可能的高对称堆叠方法,并通过结合能和声子谱确定了它们的稳定性。HSE06混合泛函用于分析投影能带结构,电子态密度和光学性质。结果表明,As/MoTe异质结具有1.504 e V的中等直接带隙,并表现出I型能带排列,并且对可见光和紫外光具有明显的吸收。同时分析了异质结构的电荷分布和转移。最后,我们还考虑了不同的层间距离和双轴应变对As/MoTe异质结的电子和光学性质的影响,发现双轴应变和层间距离可以有效地调节电子和光学性质。3.首先计算了SnS和InN单层的结构性质和电子性质。对于InN/SnS异质结构,考虑使用不同的原子堆叠方法,通过比较形成能大小找出最稳定的结构。重点分析了投影能带结构,电子态密度,能带排列和电荷分布与转移。结果表明,InN/SnS异质结构呈现II型能带排列的间接带隙,这有助于电子和空穴的分离。同时计算了InN/SnS异质结构的光学性质。合适的带隙、II型能带排列、较大的能带偏移以及良好的光吸收为InN/SnS异质结构提供了形成高效太阳能电池的机会,其中InN作为电子供体,SnS作为电子受体。4.通过第一性原理计算研究了InN/PtX(X=S,Se)范德瓦尔斯异质结构的电子和光学性质的影响。最稳定的InN/PtX(X=S,Se)异质结构都具有间接带隙和较大带偏的II型能带排列,这非常有利于光生电子-空穴对的分离和太阳能转换效率的提高。而且InN/PtX(X=S,Se)异质结构具有从可见光到紫外光的明显光吸收。InN/PtX(X=S,Se)异质结构的电子和光学性质可以通过施加双轴应变来调节,InN/PtX(X=S,Se)异质结构可调节电子和光学性质的优异性能为光电器件的应用提供了机会。本论文共有图37幅,表4个,参考文献151篇

关键词：二维材料电子性质光学性质范德瓦尔斯异质结

二维材料及其范德瓦尔斯异质结的高压响应研究进展

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高压物理学报 2021年第3期35卷 1-15页

作者：裴胜海邓晴阳王曾晖夏娟电子科技大学基础与前沿研究院四川成都610054

高压技术是一种高效、连续、可逆的调控材料结构、电学、光学等物理特性的手段,因此利用压强工程在材料中实现超导态、制备超硬材料等成为高压领域的研究热点。不同于传统的三维体相材料,二维材料及其异质结中独特的层间耦合作用使其具... 详细信息

高压技术是一种高效、连续、可逆的调控材料结构、电学、光学等物理特性的手段,因此利用压强工程在材料中实现超导态、制备超硬材料等成为高压领域的研究热点。不同于传统的三维体相材料,二维材料及其异质结中独特的层间耦合作用使其具有许多不同于传统材料的物理特性,且这些物理特性极易受到外场影响和调控,使得高压物理成功地拓展到低维材料领域。本文以石墨烯、黑磷、六方氮化硼和过渡金属二硫族化合物等几种典型的二维材料及其异质结为例,概述了二维材料及异质结在高压调控下的结构、电学、声子动力学、光学等方面的响应,并简要讨论这些高压调控下的二维材料在未来电子、光电器件等领域应用的潜力。

关键词：二维材料范德瓦尔斯异质结高压

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从二维材料到范德瓦尔斯异质结

物理 2017年第4期46卷 205-213页

作者：於逸骏张远波复旦大学物理学系上海200433

二维材料领域经过了十三年的蓬勃发展,涌现出一大批新材料和新技术。文章将介绍二维材料领域的发展历史,一系列具有代表性的二维材料的重要性质,以及由其衍生的范德瓦尔斯异质结的相关研究工作。

关键词：二维材料范德瓦尔斯异质结石墨烯过渡金属硫族化合物黑磷硅烯

In掺杂GaN/ZnO/GaN范德瓦尔斯异质结的电子结构和光催化特性研究

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陕西科技大学学报 2021年第5期39卷 119-125页

作者：薛丽丽李洪亮窦慧卢金铎高静信天王强山东省产品质量检验研究院山东济南250102 山东大学微电子学院山东济南250101

为了减小GaN/ZnO/GaN异质结的带隙宽度,提高对可见光的吸收,采用第一性原理研究了In掺杂对GaN/ZnO/GaN异质结形成能、电子结构、光学性质和带边位置的影响.计算结果表明:In掺杂GaN/ZnO/GaN异质结界面处的形成能更低,因此容易在界面处形... 详细信息

为了减小GaN/ZnO/GaN异质结的带隙宽度,提高对可见光的吸收,采用第一性原理研究了In掺杂对GaN/ZnO/GaN异质结形成能、电子结构、光学性质和带边位置的影响.计算结果表明:In掺杂GaN/ZnO/GaN异质结界面处的形成能更低,因此容易在界面处形成;In置换Zn和Ga使得带隙宽度由3.03 eV分别减小到2.02 eV和2.88 eV;掺杂后的吸收系数和光导产生红移,且吸收系数在2.1 eV处有吸收峰,与带隙的变化规律一致;掺杂后在可见光区间的折射率实部增大,虚部产生红移;最后In取代Ga和Zn的导带边位置分别为-0.47 eV、-0.58 eV,价带边位置为2.41 eV、1.44 eV,满足光催化制氢的条件.

关键词：范德瓦尔斯异质结结构稳定性光催化特性第一性原理

电场调控二维范德瓦尔斯异质结GaSe/SnX2(X=S,Se)能带及性能研究

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电场调控二维范德瓦尔斯异质结GaSe/SnX2(X=S,Se)能带及性能研究

作者：孙波湖南大学

学位级别：硕士

二维半导体因其超薄的物理尺寸和独特的光电性能,在未来通信、信息以及光电子领域具有十分可观的应用前景,是后摩尔时代引领集成电路技术快速发展的明星材料。依靠范德华力将不同类型的二维层状半导体材料结合的范德瓦尔斯异质结策略可... 详细信息

二维半导体因其超薄的物理尺寸和独特的光电性能,在未来通信、信息以及光电子领域具有十分可观的应用前景,是后摩尔时代引领集成电路技术快速发展的明星材料。依靠范德华力将不同类型的二维层状半导体材料结合的范德瓦尔斯异质结策略可以有效调节二维材料性能。这不仅可以兼具单种材料的优异性能,还可以表现出极为丰富的界面特性。另外,由于其不同的能带排列方式(包括Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型),二维范德瓦尔斯异质结构已经被认为是扩展各种器件应用于发光、光伏和场效应晶体管的优秀候选者。二维异质结构的发展能够极大的推动未来以半导体异质结构为核心的晶体管、柔性器件、探测器和发光二极管等集成电子器件产业的进步。因此,如何更好地拓展异质结丰富多样的应用领域,即在单一的异质结构中实现不同类型的带对齐之间的转换是未来大力发展高度集成电子器件领域亟待解决的关键问题。有鉴于此,本文以二维异质结的电子性质为出发点,系统设计研究了基于硫族化合物的两种二维范德瓦尔斯异质结,主要包括GaSe/SnS和GaSe/SnSe异质结。同时,基于密度泛函理论,本文探究了垂直电场对二维GaSe/SnS(SnS)范德瓦尔斯异质结的能带类型和电子性质的影响。本文的主要研究内容如下:我们的工作从理论上进行了论证:垂直电场可以有效、灵活、动态地调节拥有Ⅱ型能带类型的GaSe/Sn X(X=S,Se)体系的结构和电子性能,使其成为一种可用于光电探测器和场效应晶体管等器件中很好的候选材料。正电场可以控制Ⅱ型能带类型向Ⅰ型能带类型的转变,并且电场转变值约为0.39 V/(?)(0.12 V/(?)),而负电场可以控制Ⅱ型向Ⅲ型的转变,并且电场转变值约为-0.18V/(?)(-0.16V/(?))。我们将这些惊人的结果归结为GaSe的导带和价带边缘位置会随外加电场发生线性减小以及SnS(SnSe)随之线性增加的变化。在电场调节方面,我们设计的GaSe/Sn X(X=S,Se)异质结可以在0.4V/(?)范围内甚至是0.12V/(?)范围内完成Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型的带型调控,这说明电场可以灵活调控GaSe/Sn X(X=S,Se)异质结。此外,Ⅰ型vdWHs适用于发光二极管(LEDS),Ⅱ型vdWHs适用于光伏领域的光捕获,Ⅲ型vdWHs适用于场效应晶体管(TFETs)。另外,由于异质结不可避免地受到外加电场影响,本研究的理论结果可以用来预测异质结在不同的电场的响应情况。

关键词：第一性原理计算二维材料范德瓦尔斯异质结电场能带对准

Net-Y纳米带电子特性及CrI3范德瓦尔斯异质结磁性的研究

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Net-Y纳米带电子特性及CrI3范德瓦尔斯异质结磁性的研究

作者：胡靖昆长沙理工大学

学位级别：硕士

随着微电子元器件的尺寸不断逼近极限,纳米电子学已成为热门研究领域。对2维纳米材料研究的突破性进展是石墨烯被成功合成。由于其优异新奇的电子特性,在凝聚态物理和材料科学领域引起了广泛的研究,被认为在发展纳米电子器件方面有重要... 详细信息

随着微电子元器件的尺寸不断逼近极限,纳米电子学已成为热门研究领域。对2维纳米材料研究的突破性进展是石墨烯被成功合成。由于其优异新奇的电子特性,在凝聚态物理和材料科学领域引起了广泛的研究,被认为在发展纳米电子器件方面有重要的潜在应用,很有可能取代硅的位置成为制备下一代电子产品的最佳基础材料。但石墨烯是零带隙半金属,使它不能在电子器件中直接实现“关”的效应而极大地限制了它在纳米电子器件方面的应用。由石墨烯被发现而启发,研究者们也积极寻找其它新型二维材料,到目前为止,已制备或提出了众多碳的2维同素异形结构以及其它类石墨烯结构。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理的计算方法,对net-Y碳纳米带和三碘化铬-碳化硅（CrI3/SiC）范德瓦尔斯异质结的磁电子学特性进行了研究,以期望发现这些新型材料在自旋电子学中的良好应用前景。在本文的第一章,对部分新型低维材料的研究进展和相关理论进行了介绍。如石墨烯,类石墨烯,包括六角氮化硼,硅烯,碳基单层同素异形体,net-Y与CrI3单层等。在第二章,选取net-Y碳材料,深入研究此类结构不同宽度纳米带的结构稳定性、电子及输运特性、物理方法（压力及电场）调控。计算的结合能数值以及分子动力学模拟表明,所有纳米带结构都具有较好的稳定性。不同边形与带宽对纳米带电子性质具有较大影响,其中只含有扶手椅型边缘的纳米带,无论是否氢饱和,均为半导体,而具有金属性质的某些纳米带在氢饱和后可均变为半导体,特别是宽带小的纳米带。扶手椅边缘纳米带也具有较高的迁移率。此外,我们发现施加横向电场与施加拉应力均能够有效地调节纳米带的电子性质,如减少带隙,并从间接带隙变为直接带隙,有利于发展光学器件。本文的第三章研究了当过渡金属（TM）原子（TM=Mn,Ni,Fe,Co,V）低浓度掺杂net-Y扶手椅纳米带时结构的稳定性、磁电子性质以及用物理方法（压力及电场）进行磁电子性质的调控。所有掺杂纳米带结构都具有较好的稳定性。特别地,掺杂后纳米带展示了丰富的磁性特征,从无磁性中等带隙的半导体转变成双极化自旋半导体（BMS）、半金属（HM）及窄带隙磁性半导体。此外,我们发现施加横向电场与拉应力均能够有效地调节纳米带的磁电子性质。如施加一个较低偏压的电场就使纳米带从BMS转变为HM。施加拉应力后,纳米带的磁相可在双极化半导体、磁性金属、半金属、半半导体之间可逆地连续转变。基于材料的这种特性,可以设计出磁性转换器件。TM掺杂的net-Y纳米带具有了磁性,就对发展纳米级磁器件有了重要的应用潜力。最后部分,本文研究了单层CrI3/SiC的范德瓦尔斯异质结的磁性。由磁性材料与半导体材料结合而成的范德瓦尔斯异质结具有广阔的研究前景。CrI3单层由于其长程的二维铁磁态（FM）而备受关注。然而CrI3的居里温度还是较低（～45K）,不利于自旋电子学的应用。在此,本文提出用单层SiC作为衬底与单层CrI3构成范德瓦尔斯异质结来增强两者的磁性,并用物理方法（施加压力或外部电场）来进一步提高居里温度与磁矩。研究发现,形成异质结后,无磁的SiC也诱发了磁性,且随着层间距的减少,两个单层的磁矩都在增大,居里温度也提高了,但异质结总磁矩没有变化。而在施加外部横向均匀电场后,除了单层的磁矩增大,异质结的总磁矩也增大了,并且在某个特定的场强范围内,异质结保持了其半金属性。本文的这个发现给扩充磁性二维材料提供了一种新的选择,丰富了范德瓦尔斯异质结的磁性,对研发灵活可调、可用的磁电子学器件有着巨大的潜在应用价值。

关键词：第一性原理磁电子学性质范德瓦尔斯异质结 net-Y碳纳米带载流子迁移率半金属性

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二维范德瓦尔斯异质结性能调控研究

二维范德瓦尔斯异质结性能调控研究

作者：潘婧铧江南大学

学位级别：硕士

单层石墨烯的制备获得成功后,二维材料还由于具有特殊的光电特性而在各科学领域中得到了广泛应用,例如二极管,场效应晶体管、传感器、探测器、光催化等,太阳电池等等。尽管二维材料已经表现出区别于块体材料的特性,例如,将电子约束到二... 详细信息

单层石墨烯的制备获得成功后,二维材料还由于具有特殊的光电特性而在各科学领域中得到了广泛应用,例如二极管,场效应晶体管、传感器、探测器、光催化等,太阳电池等等。尽管二维材料已经表现出区别于块体材料的特性,例如,将电子约束到二维平面上,这也是二维材料电子特性凸显的缘故;表面平整,无化学悬键,由此得到了更高载流子迁移率;在原子级别上的厚度以及面内稳定相连的共价键,使二维材料展现出优异的光学透明度,并具有一定机械强度与柔性;二维材料具有较大比表面积,可促进关于比表面积的研究,例如超级电容器;由于二维材料表面原子裸露,可采用掺杂、缺陷、应变等方法来调节材料的性质。但是,随着科学技术水平的提高,人们对集成电路技术的需求越来越高,要求器件在体积不断减小时,必须考虑到高效性能,因此,对于二维材料也提出了更高的需求,既要能确保具有高效性能,再要求材料体积愈来愈小,因此,单一的二维材料愈来愈难以满足人们对高性能器件需求。在二维材料的研究和开发过程中,研究人员发现范德瓦尔斯异质结,这类异质结融合单层材料的特性,同时又创造了更丰富,更新奇的特性,是研制具有特定性质材料的一种有效途径,近年来已成为研究的热点。本论文主要基于第一性原理密度泛函理论,并结合非平衡格林函数对范德瓦尔斯异质结光电性质及其在光电器件中应用进行了研究。本论文取得了以下主要研究成果:1.计算了单层硫化锗(GeS),硒化铟(InSe)和六方晶格氮化硼(h-BN)的晶格参数、能带结构,构建GeS/InSe、GeS/h-BN/InSe和GeS/TB/InSe三种异质结,通过计算结合能和分子动力学同时证明异质结构的稳定性。通过计算异质结的投影能带、投影态密度、电荷差分密度研究不同层数的h-BN对GeS/InSe异质结的影响。同时研究了外加电场对异质结电子性质和光学性质的调控影响。这一研究说明h-BN的引入使得异质结对于外电场的调控更为灵敏,有望应用于高灵敏的栅控光电子器件。2.计算了新型Janus过渡金属硫族化合物(JTMDs)HfSeS,ZrSeS和具有相同电子结构二硫化锡(SnS)的晶格参数和能带,三个材料的晶格参数相差无几,异质结的晶格失配率很小。构建MSeS(M=Hf,Zr)和SnS的异质结,由于MSeS(M=Hf,Zr)是非对称式结构,考虑了多种堆叠形式,通过比较结合能大小,发现HfSeS/SnS和ZrSeS/SnS异质结最稳定,并用最稳定的异质结构建器件。通过对左右电极进行掺杂的方式构建异质结器件,研究其I-V特性,器件展现出独特的反向整流效应,通过计算器件的透射谱和传输本征态协同证明器件的反向整流效应。最后通过附加栅压研究对整流效应的调控影响,并与以往的异质结反向整流比进行比较。结果计算出的整流比要高于以往的实验数据。这一研究为新型Janus HfSeS和ZrSeS材料在光电子器件中的应用提供了重要的理论依据。3.选用新型Janus Ⅲ-Ⅵ硫系单分子层构建异质结激子太阳电池。首先计算了9个Janus单分子层的晶格参数,能带结构,边带位置和光吸收系数。然后根据高性能激子太阳电池的两个主要标准,在9个材料中构建符合标准的Ⅱ型异质结,通过计算异质结的投影能带和投影态密度验证异质结的Ⅱ型能带排列。计算结合能最稳定异质结的光吸收系数和单层材料进行对比,并计算其作为太阳电池的功率转换效率,最后功率转换效率优于研究发表过的异质结太阳电池的功率转换效率。这一研究为Janus Ⅲ-Ⅵ硫系单分子层材料可应用于光伏器件提供理论支持。

关键词：范德瓦尔斯异质结 Janus型过渡金属硫族化合物 Janus Ⅲ-Ⅵ硫系单分子层反向整流效应功率转换效率

掺杂调控范德瓦尔斯异质结CsSnBr3/WS2的第一性原理研究

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掺杂调控范德瓦尔斯异质结CsSnBr3/WS2的第一性原理研究

作者：李巧华湖南大学

学位级别：硕士

近年来,构建范德瓦尔斯异质结作为一种有效改善光电材料性能、扩大其应用范围的方法而受到广泛关注。根据能带排列方式可对异质结进行分类,不同类型的异质结拥有不同的性能及应用领域:跨立型Type-I异质结更加适用于发光领域,错开型Type... 详细信息

近年来,构建范德瓦尔斯异质结作为一种有效改善光电材料性能、扩大其应用范围的方法而受到广泛关注。根据能带排列方式可对异质结进行分类,不同类型的异质结拥有不同的性能及应用领域:跨立型Type-I异质结更加适用于发光领域,错开型Type-II异质结常用于光催化、光电和光电检测领域,破隙型Type-III异质结主要应用于隧道效应晶体管(FETs)。因此,能带排列类型的动态调控成为了设计具有多功能应用器件的一个重要且具挑战性的事情。一般来说,施加应变、电场、缺陷调控和掺杂都是调节能带排列类型的常用方法。但是值得注意的是,较大的外加电场和应力工程可能会对异质结构的稳定性以及性能产生不利影响,缺陷调控的精度是难以控制的,因此掺杂可能是对异质结构能带排列类型进行动态调控更好的选择。在此基础上,本文利用3D全无机钙钛矿CsSnBr和单层二维材料WS搭建了异质结,并通过Se原子取代单层WS中的S原子,探究异质结能带类型的变化及其光电性质的变化。论文的主要研究内容及成果如下:1.根据钙钛矿CsSnBr的正八面体结构,我们得到终止截面不同的两结构,让其分别与单层WS构建异质结,得到了两个原子数目较少且失配比小于5%的初始异质结Sn Br/WS和Cs Br/WS。对两初始异质结中单层WS分别进行比例为0%、50%以及100%的Se原子掺杂,并且通过计算其结合能,选择出最稳定的层间距和异质结模型作为研究对象。基于第一性原理,对各单体、异质结的能带、态密度、光吸收、界面电荷转移、有效质量等性质进行计算分析。2.计算结果表明:随着Se原子掺杂比例的增加,由WS2(1-x))Se单层提供的电子能带逐渐向上移动,异质结带隙值逐渐增大,VBM和CBM的贡献度发生了变化,Sn Br/WS和Cs Br/WS异质结的能带类型分别发生了从Type-Ⅱ到Type-Ⅰ以及Type-Ⅲ到Type-Ⅱ的转变。3.同时,搭建CsSnBr/WS2(1-x))Sevd W异质结可以提高材料光吸收范围和强度,光吸收强度可以达到10的量级。此外,电子的有效质量值随Se原子掺杂比例x=100%到x=0而逐渐减小,这是由于CBM的坡度随之由光滑变得陡峭导致的,这将有效提高载流子的迁移速率。本文的研究成果为调控范德瓦尔斯异质结能带类型、改善材料光电性能提供了理论方法,并且对光电应用及光电探测技术等领域有一定的启发。

关键词：第一性原理掺杂范德瓦尔斯异质结全无机卤化物钙钛矿能带排列类型光电性能