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GaN/VSe_(2)范德瓦耳斯异质结电接触特性及调控效应

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物理学报 2023年第16期72卷 217-228页

作者：汤家鑫李占海邓小清张振华长沙理工大学柔性电子材料基因工程湖南省重点实验室长沙410114

降低金属-半导体界面的肖特基势垒并实现欧姆接触对于研发高性能肖特基场效应管非常重要.鉴于实验上已成功制备GaN及1T-VSe_(2)单层,本文理论构建GaN/1T-VSe_(2)异质结模型,并利用基于密度泛函理论的第一性原理研究了其稳定性、肖特基... 详细信息

降低金属-半导体界面的肖特基势垒并实现欧姆接触对于研发高性能肖特基场效应管非常重要.鉴于实验上已成功制备GaN及1T-VSe_(2)单层,本文理论构建GaN/1T-VSe_(2)异质结模型,并利用基于密度泛函理论的第一性原理研究了其稳定性、肖特基势垒特性及其调控效应.计算的形成焓及淬火分子动力学模拟表明构建的异质结是稳定的.研究表明:本征异质结为p型肖特基接触,同时发现施加拉伸或压缩应变,异质结始终保持p型肖特基接触不变,没有出现欧姆接触.而施加外电场则不同,具有明显的调控效应,较高的正向电场能使异质结从肖特基接触转变为欧姆接触,较高的反向电场能导致p型肖特基接触转变为n型肖特基接触.特别是实施化学掺杂,异质结较容易实现由肖特基接触到欧姆接触的转变,例如引入B原子能使GaN/1T-VSe_(2)异质结实现典型的欧姆接触,而C和F原子掺杂,能使GaN/1T-VSe_(2)异质结实现准欧姆接触.这些研究对该异质结的实际应用提供了理论参考,特别是对于研发新型高性能纳米场效应管具有重要意义.

关键词：范德瓦耳斯异质结肖特基势垒欧姆接触物理调控化学掺杂

扶手椅型C_(3)B纳米带:结构稳定性、电子特性及调控效应

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物理学报 2023年第11期72卷 275-287页

作者：曹胜果韩佳凝李占海张振华长沙理工大学柔性电子材料基因工程湖南省重点实验室长沙410114

单层C_(3)B是典型的类石墨烯二维材料,已在实验上成功制备.采用密度泛函理论方法(DFT)研究了扶手椅型单层C_(3)B纳米带的结构稳定性、电子性质及物理调控效应,计算结果表明:对于裸边纳米带,如果带边缘全由C原子组成(AA型),则电子相为半... 详细信息

单层C_(3)B是典型的类石墨烯二维材料,已在实验上成功制备.采用密度泛函理论方法(DFT)研究了扶手椅型单层C_(3)B纳米带的结构稳定性、电子性质及物理调控效应,计算结果表明:对于裸边纳米带,如果带边缘全由C原子组成(AA型),则电子相为半导体;两个带边缘均由C与B原子混合组成时(BB型),则纳米带的电子相为金属;而纳米带的一边由C原子组成、另一边由B与C原子混合构成(AB型),则纳米带的电子相为金属.这说明纳米带边缘的B原子对于纳米带成为金属或半导体起决定作用.而对于H端接的纳米带,它们全部为直接或间接带隙半导体.H端接的纳米带载流子迁移率一般比裸边纳米带低,这与它们较大的有效质量及较高的形变势有密切关系.同时发现半导体性质的纳米带对物理调控非常敏感,特别是在压应变和外电场作用下,纳米带的带隙明显变小,这有利于对光能的吸收和研发光学器件.

关键词： C3B纳米带结构稳定性电子性质载流子迁移率物理调控

非金属原子掺杂扶手椅型砷烯纳米管的磁电子性质及调控

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物理学报 2023年第19期72卷 214-225页

作者：韩佳凝黄俊铭曹胜果李占海张振华长沙理工大学柔性电子材料基因工程湖南省重点实验室长沙410114

诱发非磁材料磁性并灵活调控其磁电子性质对于研发高性能磁器件非常重要.基于密度泛函理论(DFT),系统研究了非金属原子X(X=B,N,P,Si,Se,Te)取代性掺杂扶手椅型砷烯纳米管AsANT的结构稳定性、磁电子性质、载流子迁移率以及应变对杂质管... 详细信息

诱发非磁材料磁性并灵活调控其磁电子性质对于研发高性能磁器件非常重要.基于密度泛函理论(DFT),系统研究了非金属原子X(X=B,N,P,Si,Se,Te)取代性掺杂扶手椅型砷烯纳米管AsANT的结构稳定性、磁电子性质、载流子迁移率以及应变对杂质管磁电子性质的调控效应.计算的结合能和形成能证明了杂质管AsANT-X的结构稳定性,可能在实验中实现.杂质管电子结构的计算表明AsANT-X(X=B,N,P)为无磁半导体,而AsANT-X(X=Si,Se,Te)表现为双极化磁性半导体,磁性源于杂质原子与As之间未配对电子的出现.此外,掺杂可以灵活调控AsANT的载流子迁移率到一个较宽的范围,并且呈现明显的载流子极性和自旋极性.特别是,应变可以导致AsANT-Si在双极化磁性半导体、半-半导体、磁金属和无磁金属之间的多磁相变过渡,这种在无磁态和高磁化态之间的转换可用于设计由应变控制的自旋极化输运的机械开关.本文研究为砷烯的应用提供了新途径.

关键词：扶手椅型砷烯纳米管非金属原子掺杂磁电子性质载流子迁移率应变效应

非金属原子掺杂的GaN纳米管:电子结构、输运特性及电场调控效应

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物理学报 2022年第11期71卷 293-304页

作者：汤家鑫范志强邓小清张振华长沙理工大学柔性电子材料基因工程湖南省重点实验室长沙410114

GaN被称为第三代半导体,有着重要的应用前景.本文对其衍生的一维锯齿型纳米管进行了系统研究,重点研究了ⅢA-ⅦA主族的所有非金属原子低浓度掺杂纳米管后的化学结合特性、电子结构、输运特性及栅极电压调控效应等,并且有一些重要的发现,... 详细信息

GaN被称为第三代半导体,有着重要的应用前景.本文对其衍生的一维锯齿型纳米管进行了系统研究,重点研究了ⅢA-ⅦA主族的所有非金属原子低浓度掺杂纳米管后的化学结合特性、电子结构、输运特性及栅极电压调控效应等,并且有一些重要的发现,如:掺杂纳米管具有良好的能量与热稳定性,它们的结合能、形成能及杂质原子周围化学键的平均键长与掺杂原子的原子序数(原子半径)有密切联系;杂质原子与纳米管之间的电荷转移与它们之间的相对电负性有直接关系.更重要的是,研究发现虽然本征纳米管是半导体,但非金属原子掺杂后,纳米管的电子相具有明显的奇-偶效应,即掺杂第ⅢA,ⅤA,ⅦA族原子后,纳米管仍为半导体,而掺杂第ⅣA,ⅥA族原子后,纳米管变为金属,这些现象与孤对电子态有密切关系.对半导体材料的载流子迁移率研究发现:掺杂异质原子,能调控纳米管的空穴及电子迁移率产生1个数量级的差异,特别是较高的栅极电压能明显提高空穴及电子迁移率,如当栅极电压为18 V时,空穴迁移率相对未加电压时的情况增大了近20倍.

关键词： GaN纳米管非金属原子掺杂奇-偶效应载流子迁移率栅极电压效应

Fe原子吸附的锑烯/WS_(2)异质结的磁电子性质及调控效应

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物理学报 2022年第21期71卷 365-376页

作者：何鑫李鑫焱李景辉张振华长沙理工大学柔性电子材料基因工程湖南省重点实验室长沙410114

为研究非磁性二维范德瓦耳斯异质结吸附磁性原子的诱发磁性机理及磁电子特性,构键了锑烯(Sb)/WS_(2)异质结,并考虑Fe原子的多种吸附.计算的吸附能表明:T_(W),T_(S_m)及V_(Sb)吸附方式是Fe原子分别吸附于异质结下方、层间以及上方的最可... 详细信息

为研究非磁性二维范德瓦耳斯异质结吸附磁性原子的诱发磁性机理及磁电子特性,构键了锑烯(Sb)/WS_(2)异质结,并考虑Fe原子的多种吸附.计算的吸附能表明:T_(W),T_(S_m)及V_(Sb)吸附方式是Fe原子分别吸附于异质结下方、层间以及上方的最可能吸附位置,产生的磁性与Fe原子被吸附后其电子构型(VEC)扩展以及电荷转移使得电子自旋重排有关.TW,T_(S_m)吸附使无磁半导体性的异质结成为半-半导体(HSC),而V_(Sb)吸附对应双极化磁性半导体(BMS).特别是,计算的磁化能表明:层间T_(S_m)吸附使异质结具有最高的磁稳定性,足以抵抗常温热起伏对磁性的影响.量子调控能使异质结产生丰富的磁性,特别是磁相的灵活改变,如施加外加电场可使异质结实现HSC,HM(半金属)及BMS等磁相转换,而垂直应变则可使异质结发生HSC,HM及MM(磁金属)等磁相的转换.这一研究表明利用异质结能增加过渡金属原子的吸附区域(下方、层间以及上方),从而产生丰富的磁性,特别是层间吸附过渡金属,其磁性的温度稳定性能显著提高.

关键词：二维范德瓦耳斯异质结磁电子特性磁稳定性量子调控磁相转换

边修饰Net-Y纳米带的电子结构及机械开关特性的应变调控效应

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物理学报 2022年第4期71卷 175-185页

作者：徐永虎邓小清孙琳范志强张振华长沙理工大学柔性电子材料基因工程湖南省重点实验室长沙410114

利用密度泛函理论和非平衡态格林函数相结合的方法,系统地研究了边修饰Net-Y纳米带的电子结构和器件特性的应变调控效应.计算表明:本征纳米带为金属,但边缘的氢或氧原子端接能使其转变为半导体.应变能有效地调控纳米带带隙的大小,适当... 详细信息

利用密度泛函理论和非平衡态格林函数相结合的方法,系统地研究了边修饰Net-Y纳米带的电子结构和器件特性的应变调控效应.计算表明:本征纳米带为金属,但边缘的氢或氧原子端接能使其转变为半导体.应变能有效地调控纳米带带隙的大小,适当的应变使能带结构从间接带隙转变为较小的直接带隙,这有利于光的吸收.应变也能改变纳米带的功函数,压缩应变能明显减小功函数,这有利于纳米带实现场发射功能.特别是应变能有效地调控纳米带相关器件的I-V特性,能使其开关比(I_(on)/I_(off))达到10^(6),据此,可设计一个机械开关,通过拉伸及压缩纳米带使其可逆地工作在“开”和“关”态之间.这种高开关比器件也许对于制备柔性可穿戴电子设备具有重要意义.

关键词： Net-Y纳米带电子特性应变调控功函数机械开关

As/HfS_(2)范德瓦耳斯异质结电子光学特性及量子调控效应

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物理学报 2022年第17期71卷 344-354页

作者：张仑陈红丽义钰张振华长沙理工大学柔性电子材料基因工程湖南省重点实验室长沙410114

两种或两种以上的单层材料堆垛成范德瓦耳斯异质结是实现理想电子及光电子器件的有效策略.本文选用As单层及HfS_(2)单层,采用6种堆垛方式构建As/HfS_(2)异质结,并选取最稳结构,利用杂化泛函HSE06系统地研究了其电子和光学性质以及量子... 详细信息

两种或两种以上的单层材料堆垛成范德瓦耳斯异质结是实现理想电子及光电子器件的有效策略.本文选用As单层及HfS_(2)单层,采用6种堆垛方式构建As/HfS_(2)异质结,并选取最稳结构,利用杂化泛函HSE06系统地研究了其电子和光学性质以及量子调控效应.计算发现,As/HfS_(2)本征异质结为Ⅱ型能带对齐半导体,且相对两单层带隙(>2.0 eV)能明显减小(约0.84 eV),特别是价带偏移(VBO)和导带偏移(CBO)可分别高达1.48 eV和1.31 eV,非常有利于研发高性能光电器件和太阳能电池.垂直应变能有效调节异质结的能带结构,拉伸时带隙增大,并出现间接带隙到直接带隙的转变现象,而压缩时,带隙迅速减少直到金属相发生.外加电场可以灵活地调控异质结的带隙及能带对齐方式,使异质结实现Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型之间的转变.此外,As/HfS_(2)异质结在可见光区域有较强的光吸收能力,且可通过外加电场和垂直应变获得进一步提高.这些结果表明As/HfS_(2)异质结构在电子器件、光电子器件和光伏电池领域具有潜在的应用前景.

关键词：范德瓦耳斯异质结 Ⅱ型能带对齐垂直应变外加电场光吸收系数

扶手椅型CB纳米带：结构稳定性、电子特性及调控效应

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物理学报 2023年

作者：曹胜果韩佳凝李占海张振华长沙理工大学柔性电子材料基因工程湖南省重点实验室

单层C3B是典型的类石墨烯二维材料，已在实验上成功制备。采用密度泛函理论方法(DFT)研究了扶手椅型单层C3B纳米带的结构稳定性、电子性质及物理调控效应，计算结果表明：对于裸边纳米带，如果带边缘全由C原子组成(AA型)，则电子相为半... 详细信息

单层C3B是典型的类石墨烯二维材料，已在实验上成功制备。采用密度泛函理论方法(DFT)研究了扶手椅型单层C3B纳米带的结构稳定性、电子性质及物理调控效应，计算结果表明：对于裸边纳米带，如果带边缘全由C原子组成(AA型)，则电子相为半导体；两个带边缘均由C与B原子混合组成时(BB型)，则纳米带的电子相为金属；而纳米带的一边由C原子组成、另一边由B与C原子混合构成(AB型)，则纳米带的电子相为金属。这说明纳米带边缘的B原子，对于纳米带成为金属或半导体起决定作用。而对于H端接的纳米带，它们全部为直接或间接带隙半导体。H端接的纳米带载流子迁移率一般比裸边纳米带低，这与它们较大的有效质量及较高的形变势有密切关系。同时发现半导体性质的纳米带对物理调控非常敏感，特别是在压应变和外电场作用下，纳米带的带隙明显变小，这有利于对光能的吸收和研发光学器件。

关键词： C B纳米带结构稳定性电子性质载流子迁移率物理调控

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边修饰GeS纳米带的电子特性及调控效应

物理学报 2023年

作者：李景辉曹胜果韩佳凝李占海张振华长沙理工大学柔性电子材料基因工程湖南省重点实验室

GeS2单层已成功制备，为了进一步扩展其应用范围以及发现新的物理特性，我们构建扶手椅型GeS2纳米带 ( AGeS2NR ) 模型，并采用不同浓度的H或O原子进行边缘修饰，且对它们的结构稳定性、电子特性、载流子迁移率以及物理场调控效应... 详细信息

GeS2单层已成功制备，为了进一步扩展其应用范围以及发现新的物理特性，我们构建扶手椅型GeS2纳米带 ( AGeS2NR ) 模型，并采用不同浓度的H或O原子进行边缘修饰，且对它们的结构稳定性、电子特性、载流子迁移率以及物理场调控效应进行了深入研究. 研究表明边修饰纳米带具有良好的能量与热稳定性. 裸边纳米带是无磁半导体，而边修饰能改变AGeS2NR的带隙，使它成为宽带隙或窄带隙半导体，或金属，这与边缘态消除或部分消除或产生杂化能带有关，所以边缘修饰调控扩展了纳米带在电子器件及光学器件领域的应用范围. 此外，计算发现载流子迁移率对边缘修饰十分敏感，可以调节纳米带载流子迁移率 (电子、空穴) 的差异达到1个数量级，同时产生载流子极化达到1个数量级. 研究还表明半导体性纳米带在较大的应变范围内具有保持电子相不变的鲁棒性，对于保持相关器件电子输运的稳定性是有益的. 绝大部分半导体性纳米带在较高的外电场作用下，都具有保持半导体特性不变的稳定性，但带隙随电场增加而明显变小. 总之，本研究为理解GeS2纳米带特性并研发相关器件提供了理论分析及参考.

关键词： GeS 纳米带边缘修饰电子特性物理场调控载流子迁移率