幾類二維材料電子結構及輸運特性的第一性原理研究.pdf

1、石墨烯的發(fā)現(xiàn)標志著二維材料的誕生，自此之后，越來越多的新型二維材料相繼的被發(fā)掘出來。由于它們具有奇特的物理特性和在未來電子器件方面潛在的應用價值而受到人們廣泛研究。盡管如此，從材料的制備到器件化過程中依然存在許多問題，諸如缺陷、摻雜、襯底、分子吸附、電極接觸等，都從不同程度制約著二維材料的實際應用。本文從第一性原理計算出發(fā)，系統(tǒng)地研究了上述因素對材料本征電子結構及輸運特性的影響，希望有助于實驗上設計出具有更高性能的電子器件。本文具體的研

2、究內容及結果如下:
　　(1)含晶界石墨烯的電子結構及其輸運特性
　　晶界在石墨烯制備過程中是很難避免的，為了理解晶界對石墨烯電子結構及輸運特性的影響，我們采用第一性原理手段計算了四種單一晶界和兩種交叉晶界的電子結構及輸運特性。計算結果表明，晶界的引入并沒有破壞石墨烯的零帶隙特性。但是晶界引入后，在費米能級附近出現(xiàn)了局域的電子態(tài)，這些電子態(tài)有助于電子的傳輸。電子垂直和沿著穿過晶界的輸運性質存在明顯的差異。與純石墨烯相比，垂直

3、穿過晶界的電流至少降低50％，然而沿著晶界的電流卻下降的不是很多。避開垂直晶界傳輸，電子沿著其它方向傳輸?shù)耐干鋷茁拭黠@提高。電子在交叉晶界中的輸運行為與垂直穿過其中單一晶界的輸運行為十分相似。
　　(2) MoS2/WS2平面異質結分子吸附及Ⅰ-Ⅴ響應
　　近來報道的基于過渡金屬硫化物的新型平面異質結被認為在光電領域具有潛在的應用價值。但是它對環(huán)境條件的響應并不清楚。這里，我們研究了CO、U2O、NH3、NO、NO2等分子在

4、其表面的吸附。確定了分子最優(yōu)吸附構型和吸附強度，這些都與分子與異質結之間電荷轉移有關。除了NH3表現(xiàn)出給電子行為，其它分子都從異質結得到電子。通過分析分子和異質結的電子結構，給出了分子與異質結之間的電荷轉移機制。進一步計算發(fā)現(xiàn)，分子吸附對異質結的輸運性質影響較大，它改變了異質結的整流行為和通過電流的大小。由于異質結對分子吸附比較敏感，說明它可以作為潛在的分子探測材料。
　　(3) Black arsenic-phosphorus體

5、系電子結構、力學性質及載流子遷移率
　　最近，實驗上制備了具有層狀結構的半導體材料black arsenic-phosphorus(b-AsP)，通過調控它的化學組成能夠實現(xiàn)對其帶隙的靈活調控。但是其二維形式的力學、電學性能尚不知曉。我們采用第一性原理計算手段預測了具有不同As原子濃度的單層b-AsP體系的電子結構，力學特性及載流子遷移率。計算結果表明，單層b-AsP體系的剝離能比純黑磷的要大，并且隨著As原子濃度增加而增大。另外

6、，b-AsP體系的斷裂應變與石墨烯、二硫化鉬的十分相近，表明它具有優(yōu)異的力學性能，在柔性電子器件應用方面具有很大潛力。單層b-AsP體系的電子結構對As原子濃度并不敏感，但是可以通過施加應力對其調控。b-AsP體系的載流子遷移率表現(xiàn)出各向異性，與純黑磷相比，其載流子遷移率明顯降低，這可能不利于它在實際電子器件方面的應用。
　　(4) Al2O3襯底對黑磷電子結構的調控
　　通過在黑磷(BP)表面沉積Al2O3電介質可以有效抑

7、制它在空氣中的氧化。清晰的理解BP和Al2O3電介質間的相互作用對實際電子器件應用十分重要。我們通過理論計算研究了Al末端和羥基化Al2O3(0001)表面對BP電子結構的影響。計算結果表明，BP的帶隙在兩個表面上分別增大了160meV和92 meV。帶隙的增大主要是由于BP與Al2O3表面之間存在電荷轉移。然而，帶隙增大的趨勢隨著BP層數(shù)的增加發(fā)生了反轉。2-4層BP的價帶帶階要比單層BP的大0.5-0.9 eV,更利于電子注入勢壘的

8、形成。另外，BP/Al2O3的能帶結構可以通過外加電場對其調控以適用于實際的應用。
　　(5)邊緣接觸graphene-MoS2體系的電子結構及輸運特性
　　最近實驗上制備了以graphene為電極MoS2為溝道的電子器件。我們通過第一性原理計算手段揭示了graphene和MoS2的接觸構型對兩者形成異質結的電學性質的影響。Graphene和MoS2通過邊緣接觸可以形成四種異質結，即Armchair-Armchair、Zig

9、zag-Armchair、Armchair-Zigzag、Zigzag-Zigzag。計算結果表明，MoS2在與石墨烯形成平面異質結時被金屬化了。費米能級附近的金屬態(tài)主要分布在兩者的接觸界面區(qū)域，并且這些電子態(tài)主要是由Mo原子的4d軌道和C，S原子的2p軌道組成的。異質結界面處的電荷轉移量與兩種材料具體接觸構型有關。通過能帶帶階計算發(fā)現(xiàn)，graphene-MoS2平面異質結形成的是n型肖特基接觸，不同構型的接觸勢壘在0.45～0.75

10、eV范圍內，這比MoS2與Sc和Ti金屬形成的勢壘要大。采用雙電極模型得到的電子透射譜帶隙大于MoS2的本征帶隙。選取的兩種代表構型電流-電壓曲線存在差異，說明接觸構型對 graphene-MoS2平面異質結的輸運行為有重要影響。
　　(6)2H1-x1Tx MoS2雜化體系的電子結構及輸運特性
　　近來的實驗證實了采用雜化的1T-MoS2作為電極能夠有效降低基于2H-MoS2器件的接觸電阻。在這里，我們通過理論計算預測了含

11、有不同1T相濃度的雜化電極2H1-x1Tx MoS2的電子結構及它對器件輸運性質的影響。計算結果表明，2H1.x1Tx MoS2體系的穩(wěn)定性隨著1T相濃度的增加而減小。1T-MoS2的引入明顯降低了體系帶隙的大小。雜化體系費米能級附近出現(xiàn)的平帶不利于電子的傳輸。含有不同1T-MoS2的雜化體系的電子透射譜存在明顯差異，說明電子的透射幾率不但與1T相濃度有關，還依賴兩相MoS2在雜化體系中的具體排列。另外，O2分子與雜化體系的結合能明顯大

12、于它與純2H和1T-MoS2體系的結合能，并且它們之間存在著電荷轉移。為了保護2H1-x1 Tx MoS2體系不受分子吸附的影響，我們預測了BN是非常有效的保護材料。
　　本論文共包含九章內容:第一章為綜述，簡單介紹了幾類二維材料的研究進展;第二章為理論計算方法，主要描述了密度泛函理論和非平衡格林函數(shù)方法。第三到第八章為基于以上方法開展的具體工作。第三章研究了晶界對石墨烯電子結構及輸運特性的影響;第四章研究了分子吸附對MoS2/W