二维MoS2/WSe2异质结的光电性能研究

近年来基于二维半导体过渡金属硫族化合物如MoS₂的光电晶体管被广泛研究。虽然基于单层MoS₂的光电探测器表现出较高的响应度,但是其较低的载流子迁移率也限制了响应时间,约在秒量级。二维半导体的相互堆垛可以形成具有低缺陷态且空间均匀的范德华异质结构,是提高二维光电探测器性能的有效途径。基于此本文通过机械剥离转移法构筑MoS₂/WSe₂垂直pn异质结,其较强的空间电荷区能有效地分离光生载流子,所以在自驱动状态下仍具有较好的光电探测能力,光响应度和探测率分别达到2.12×10³ A/W和2.33×10¹¹ Jones,同时极大地缩短了响应时间,响应时间达到40 ms。这种二维异质结器件制备方法简易,性能优异,在光电子领域具有广阔的应用前景。     

Y掺杂WS2二维材料的第一性原理研究

WS₂由于其优异的物理和光电性质引起了广泛关注。本研究基于第一性原理计算方法,探索了本征单层WS₂及不同浓度W原子替位钇(Y)掺杂WS₂的电子结构和光学特性。结果表明本征单层WS₂为带隙1.814 eV的直接带隙半导体。进行4%浓度(原子数分数)的Y原子掺杂后,带隙减小为1.508 eV,依旧保持着直接带隙的特性,随着Y掺杂浓度的不断增大,掺杂WS₂带隙进一步减小,当浓度达到25%时,能带结构转变为0.658 eV的间接带隙,WS₂表现出磁性。适量浓度的掺杂可以提高材料的导电性能,且掺杂浓度增大时,体系依旧保持着透明性并且在红外光和可见光区对光子的吸收能力、材料的介电性能都有着显著提高。本文为WS₂二维材料相关光电器件的研究提供了理论依据。     

WS2/MgAl-LDH复合材料的制备及其光催化性能研究

采用两步水热法制备了WS₂/MgAl-LDH(水滑石)复合材料,通过X-射线衍射仪、傅立叶变换红外光谱仪、场发射扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X-射线光电子能谱仪等测试分析,表明在MgAl-LDH层间原位合成了WS₂纳米粒子。将该复合材料作为催化剂来降解150 mg/L,pH值为3的甲基橙溶液,其结果是:在模拟可见光条件下辐照75 min,该甲基橙溶液的降解率超过80%,且循环性能优异。由此表明,WS₂/MgAl-LDH复合材料是一种极具应用潜力的光催化剂。     

CuxSy-MoS2异质结构的介电损耗调控及其高效电磁波吸收

二硫化钼(MoS₂)因高的比表面积和独特的电子结构在电磁波(EMW)吸收领域备受关注,但其高导电性导致EMW吸收性能较差。为了解决这个问题,本文引入Cu_xS_y纳米颗粒,构建一种独特的Cu_xS_y-MoS₂异质结构,以实现适当的阻抗匹配和衰减能力。通过调控Cu_xS_y纳米颗粒,达到调节介电损耗能力,以使Cu_xS_y-MoS₂材料在低、中、高频率下都能表现出优异的EMW吸收性能。Cu_xS_y-MoS₂样品在12.68 GHz的频率下,表现出高达-72.77 dB的反射损耗(R_L),而材料的匹配厚度仅为1.99 mm,优于大多数金属硫化物异质结构。此外,它还具有宽的有效吸收带宽(EAB),在1.73 mm处达到5.1 GHz (12.9～18.0 GHz)。这项工作为设计具有...     

双轴应变对g-ZnO/WS2异质结电子结构及光学性质影响的第一性原理计算

单层g-ZnO由于吸收光谱宽而受到研究者关注,但载流子复合是单层g-ZnO作为光催化剂无法避免的问题,如何降低电子空穴对复合率,提高单层g-ZnO对可见光利用率成为值得研究的问题,搭建异质结并对其进行双轴应变是一种可行的办法。本文采用第一性原理方法,研究双轴应变对g-ZnO/WS₂异质结电子结构及光学性质的调控规律。结果表明:g-ZnO/WS₂异质结禁带宽度为1.646 eV,由于异质结体系内部产生内置电场,降低了其光生载流子的复合率,同时异质结光吸收带边拓展至可见光区域。对异质结实施应变后,除压缩应变(-2.5%)体系外,其余应变体系吸收带边均出现红移现象,并且红移程度和对电荷的束缚能力均随着应变的增加而增强。相比于未实施应变的体系,应变体系对光生电子载流子的阻碍作用更强,其光催化能力得到更大提高。以上结果说明搭建g-ZnO/WS₂异质结并对其进行双轴应变对异质结的电子结构及光学性质具有显著的调控作用,使其在窄禁带及红外、可见光半导体器件和光催化材料等领域具有应用价值。     

GeS/MoS2异质结电子结构及光学性能的第一性原理研究

以MoS₂、GeS为代表的二维层状材料在光学、电学等方面表现出优异的物理性能。如何将两者的优良性能结合,同时获得具有新的协同功能的复合材料对电子器件的发展和应用具有重要意义。本文采用密度泛函理论的第一性原理计算方法,对GeS/MoS₂异质结的电子结构及光学性质进行了系统研究,并探索了界面间距、应变和电场对异质结电子结构和光学性能的影响。研究结果表明,GeS/MoS₂异质结是Ⅱ型能带排列,该能带排列有利于光生电子-空穴对的分离。进一步研究发现,通过应变和电场等手段可以实现对GeS/MoS₂异质结能带排列及光吸收系数的有效调控。该研究结果表明GeS/MoS₂异质结在光催化、光电器件等领域具有潜在的应用,为设计与制备GeS/MoS₂相关的光电器件提供了理论指导。     

ε-(AlxGa1-x)2O3/ε-Ga2O3异质结电子输运性质研究

Ga₂O₃是一种新兴的宽带隙半导体,在电力和射频电子系统中具有潜在的应用前景。前期研究以β-Ga₂O₃为主,并且已经对β-(Al_xGa_1-x)₂O₃/Ga₂O₃异质结构中的二维电子气(2DEG)进行了理论计算,本文主要研究ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃作为势垒层对ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃/ε-Ga₂O₃异质结电子输运性质的影响,首先介绍了ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃/ε-Ga₂O₃异质结的结构和性质,分析计算了由于ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃/ε-Ga₂O₃异质结的自发极化和压电极化所产生的极化面电荷密度,以及极化对2DEG浓度产生的影响,接着分析了在不同Al摩尔组分下,ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃势垒层厚度与合金无序散射、界面粗糙度散射和极性光学声子散射之间的关系。最后通过计算得出结论:界面粗糙度散射和极性光学声子散射对ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃/ε-Ga₂O₃异质结的电子输运性质有重要影响,合金无序散射对异质结的输运性质影响较小;2DEG浓度、合金无序散射、界面粗糙度散射和极性光学声子散射的电子迁移率强弱由ε-(Al_xGa_1-x)₂O₃势垒层的厚度和Al摩尔组分共同决定。     

基于第一性原理的单层WS2热输运特性研究

二维WS₂是一种层状过渡金属硫化物,因其具有特殊的层状结构、可调带隙及稳定的物理化学性质而备受关注。结合玻尔兹曼输运方程(BTE)和密度泛函理论(DFT),利用第一性原理研究了单层WS₂声子的输运特性,分析了声子的谐性效应和非谐性效应对WS₂晶格热导率的影响机理,计算了其声子的临界平均自由程,提出通过调整阻断频率的方法来调控WS₂的晶格热导率。研究结果表明：单层WS₂在300 K时的本征晶格热导率为149.12 W/(m·K),且随温度的升高而降低;从各声子支对总热导率的贡献来看,声学声子支起主要作用,特别是纵向声学(longitudinal acoustic, LA)声子支对单层WS₂热导率的贡献百分比最大(44.28%);单层WS₂声学声子支和光学声子支之间的较大带隙(声光学声子支之间无散射)导致其具有较高的晶格热导率。本文研究可为基于单层WS₂纳米电子器件的设计和改进提供借鉴和理论指导。     

基于第一性原理的掺杂单层WS2的光电效应

基于非平衡态格林函数-密度泛函理论,采用第一性原理方法,计算了VA族元素(N、P、As或 Sb) 掺杂单层WS₂的光电效应,并解释了掺杂提高光电效应的微观机理。结果表明:在线性极化光照射下,单层WS₂中可以产生光电流。由于掺杂降低了单层WS₂的空间反演对称性,导致N、P、As或 Sb分别掺杂的单层WS₂的光照中心区产生的光电流明显提升。其中N掺杂的效果最好,掺杂后的单层WS₂在光子能量3.1 eV时获得最大光电流(1.75),并且偏振灵敏度达到最大(18.1),P、As、Sb分别掺杂的单层WS₂在光子能量3.9 eV时取得较大的光电流,并且有较高的偏振灵敏度。研究结果表明通过掺杂能够有效增强光电效应,获得更高的偏振灵敏度,揭示了掺杂单层WS₂在光电子器件领域潜在的应用前景。     

TiO2/Fe2O3异质结薄膜的制备及其光电特性的研究

通过水热法成功在FTO上制得Ti O2/Fe2O3异质结薄膜,采用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线衍射仪(XRD)、紫外-可见吸收光谱(UV-Vis)分析测试手段对样品的形貌和结构进行了表征。结果表明,Ti O2/Fe2O3异质结是由直径约200~300 nm的Ti O2纳米棒镶嵌着Fe2O3纳米颗粒组成。通过光电流测试,证明Ti O2/Fe2O3异质结的可见光光电转换效率相比Ti O2明显提高,并对Ti O2/Fe2O3异质结的光电转换机理进行了分析。     

还原氧化石墨烯/TiO2纳米线复合膜的制备及对Cu2+吸附性的影响

以石墨烯和自制TiO₂粉末为原料,通过两步水热法联合真空抽滤法制备还原氧化石墨烯/TiO₂纳米线(rGO/TiO₂ NWs)复合膜。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱对rGO/TiO₂ NWs复合膜的形貌、结构进行表征。研究结果表明,还原氧化石墨烯和TiO₂ NWs成功地复合在一起,复合材料中TiO₂ NWs分散性较好。Cu²⁺吸附实验结果表明,复合材料中TiO₂ NWs所占比例、pH值是影响Cu²⁺吸附效果的重要因素,研究复合材料对Cu²⁺的吸附效果应该在pH值为6.0的近中性环境。其中TiO₂ NWs含量为50%时,复合膜对Cu²⁺的吸附量最高,达到rGO薄膜的4倍。复合薄膜有较好的吸附稳定性,重复使用5次后,吸附率是原吸附量的91%。     

Polarization induced 2D hole gas in GaN/AlGaN heterostructures

The generation of high density 2D hole gases is crucial for further progress in the electronic and optoelectronic nitride devices. In this paper, we present systematic theoretical studies of Mg-doped GaN/AlGaN gated heterostructures and superlattices. Our calculations are based on a self-consistent solution of the multiband k.p Schrödinger and Poisson equation and reveal that the hole 2D sheet density is mainly determined by the polarization induced interface charges. For an aluminium concentration of 30%, the induced hole density in the heterostructure can reach values up to 1.5×10¹³ cm⁻². In the GaN/AlGaN superlattices, the hole sheet density increases with the superlattice period and saturates for a period of 40 nm at a value of 1.5×10¹³ cm⁻².     

Synthesis and characterization of type-II textured tungsten disulfide thin films by vdWR process with Pb interfacial layer as texture promoter

The growth of type-II textured tungsten disulfide (WS₂) thin films by solid state reaction between the spray deposited WO₃ and gaseous sulfur vapors with Pb interfacial layer has been studied. X-ray diffraction (XRD) technique is used to measure the degree of preferred orientation ‘S’ and texture of WS₂ films. Scanning electron microscopy (SEM) and transmission electron microscopy techniques have been used to examine the microstructure and morphology. The electronic structure and chemical composition were studied using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The use of Pb interfacial layer for the promotion of type-II texture in WS₂ thin films is successfully demonstrated. The presence of (0 0 3 l), (where l=1, 2, 3, …) family of planes in the XRD pattern indicates the strong type-II texture of WS₂ thin films. The crystallites exhibit rhombohedral (3R) structure. The large value of ‘S’ (1086) prompts the high degree of preferred orientation as well. The stratum of crystallites with their basal plane parallel to the substrate surface is seen in the SEM image. The EDS and XPS analyses confirm the tungsten to sulfur atomic ratio as 1:1.75. We purport that Pb interfacial layer enhances type-II texture of WS₂ thin films greatly.     

CeO2/TiO2异质结纳米花的制备及光催化性能研究

异质结催化剂以其优异的光电性能、光催化性能及在降解有机污染物上的实用性,吸引了广大研究者的注意.采用水热法,制备了CeO2/TiO2异质结纳米花,利用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、和紫外-可见光吸收(UV-vis)等分析手段对制备的样品形貌和结构进行表征,并以甲基橙为目标污染物,考察了样品的光催化性能,并且对光催化降解的机理进行了分析.我们发现,这种异质结构将其紫外-可见光吸收边由紫外光区域拓宽到可见光区域,从而提高光响应范围.研究表明CeO2/TiO2异质结纳米花表现了优异的催化活性,在60 min内降解了98;的甲基橙,这主要是源于其特殊的异质结构,能增强光催化活性.     

Crystal structure, carrier concentration and IR-sensitivity of PbTe thin films doped with Ga by two different methods

The comparison of the results of chemical composition, crystal structure, electronic properties and infrared photoconductivity investigations of PbTe/Si and PbTe/SiO₂/Si heterostructures doped with Ga atoms by two different techniques is presented in this work. One of these techniques is principally based on the vapour-phase doping procedure of PbTe/Si and PbTe/SiO₂/Si heterostructures, which were previously formed by the modified “hot wall” technique. The second method of PbTe(Ga)/Si and PbTe(Ga)/SiO₂/Si heterostructure preparation is based upon the fabrication of lead telluride films, which have been doped with Ga atoms in the layer condensation process directly. The lattice parameter and charge carrier density evolutions with the Ga impurity concentration show principally the different character of PbTe(Ga)/Si films prepared by these techniques. It has been proposed that complicated amphoteric (donor or acceptor) behaviour of Ga atoms may be explained by different mechanisms of substitution or implantation of impurity atoms in the crystal structure of lead telluride.