非对称双轴张应变对锗能带的影响

采用第一性原理方法系统地研究了沿(001)、(101)和(111)面施加晶面内各方向应变不相等的双轴张应变,即非对称双轴张应变对锗能带结构的影响.结果表明:对于沿(001)面施加非对称双轴张应变,至少某一个方向应变大于2.95%,间接-直接带隙转变才能发生;对于沿(101)面施加非对称双轴张应变,至少某一个方向应变大于3.44%,间接-直接带隙转变才能发生;然而,沿(111)面施加非对称双轴张应变,不发生间接-直接带隙转变.另外,研究还发现无论是施加对称双轴应变还是非对称双轴应变,间接-直接带隙转变得到的应变Ge带隙值都与应变前后拉伸面面积变化大小成反比.     

面内双轴应力作用下单层黑磷能带性质研究

通过第一性原理对平面内双轴应力作用下的单层黑磷能带结构进行了计算.双轴拉伸应力作用下单层黑磷始终保持直接带隙性质,双轴压缩应力作用下的单层黑磷则发生了直接带隙转变为间接带隙的现象,当双轴压缩应力增加到7%时单层黑磷带隙闭合.     

量子局域效应和应力对GaSb纳米线电子结构影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 研究了不同晶体结构和尺寸的GaSb纳米线能带结构特性和载流子的有效质量, 以及单轴应力对GaSb纳米线能带结构的调控. 研究结果表明: 闪锌矿结构[111]方向和纤锌矿结构[0001]方向的小尺寸GaSb纳米线均出现间接带隙的能带结构, 并可通过单轴应力来实现纳米线能带结构由间接带隙到直接带隙的转变, 其中, 闪锌矿结构[111]方向GaSb纳米线仅在受到单轴拉伸应力时才发生能带由间接带隙到直接带隙的转变, 而纤锌矿结构[0001]方向GaSb纳米线无论受单轴拉伸还是压缩应力的作用均可实现能带由间接带隙到直接带隙的转变; [111]和[0001]方向GaSb纳米线的带隙和载流子有效质量与纳米线直径呈非线性关系, 并随纳米线直径的减小而增大; 同一方向和尺寸的GaSb纳米线, 其空穴有效质量要小于电子有效质量, 这表明小尺寸GaSb纳米线有利于空穴载流子输运.     

面内双轴应力作用下单层黑磷能带性质研究

通过第一性原理对平面内双轴应力作用下的单层黑磷能带结构进行了计算.双轴拉伸应力作用下单层黑磷始终保持直接带隙性质,双轴压缩应力作用下的单层黑磷则发生了直接带隙转变为间接带隙的现象,当双轴压缩应力增加到7%时单层黑磷带隙闭合.     

应变和电场对Ga2SeTe/In2Se3异质结电子结构和光学性质的影响

异质结构的构筑与堆垛是新型二维材料物性调控及应用的有效策略.基于密度泛函理论的第一性原理计算,本文研究了4种不同堆叠构型的新型二维Janus Ga₂SeTe/In₂Se₃范德瓦耳斯异质结的电子结构和光学性质. 4种异质结构型均为Ⅱ型能带结构的间接带隙半导体,光致电子的供体和受体材料由二维In₂Se₃的极化方向决定.光吸收度在可见光区域高达25%,有利于太阳可见光的有效利用.双轴应变可诱导直接-间接带隙转变,外加电场能有效调控异质结构带隙,使AA2叠加构型的带隙从0.195 eV单调增大到0.714 eV,AB2叠加构型的带隙从0.859 eV单调减小到0.058 eV,两种调控作用下异质结的能带始终保持Ⅱ型结构.压缩应变作用下的异质结在波长较短的可见光区域表现出更优异的光吸收能力.这些研究结果揭示了Janus Ga₂SeTe/In₂Se₃范德瓦耳斯异质结电子结构的调控机理,为新型光电器件的设计提供理论指导.     

二维MoSi2N4WSe2异质结的第一性原理研究

实验上新合成的MoSi2N4（MSN）由于其独特的七原子层结构和电子特性引起了人们的广泛关注。本文搭建了一种由二维MSN与二维WSe2（WS）垂直堆垛而成的二维MSN/WS异质结，其表现出直接间隙半导体和I型能带排列的特性，具有1.46 eV的带隙。在异质结界面处存在一个由电荷耗尽层MSN指向电荷积累层WS微弱的内建电场。最后，通过施加双轴应变对二维MSN/WS异质结进行调控。发现在正双轴应变的作用下，MSN/WS异质结保持了原来直接带隙半导体和I型能带排列特性；在负双轴应变作用下，MSN/WS异质结由原来的直接带隙半导体转变为间接带隙半导体，当施加的负双轴应变达到-6%与-8%时，I型能带排列转变为Ⅱ型能带排列。     

应力调控对单层TiOCl2电子结构及光学性质的影响

基于密度泛函理论的第一性原理计算,对单层TiOCl₂的电子结构、输运性质和光学性质进行了理论研究.对单层TiOCl₂材料的声子谱、分子动力学和弹性常数的计算结果表明,该材料在常温下能稳定存在,并具有较好的动力学、热力学和机械稳定性.电子结构分析表明,单层TiOCl₂是一种间接窄带隙半导体(能隙为1.92 eV).在应力调控下,单层TiOCl₂材料的能带结构、输运性质和光学性质均发生明显变化.沿a方向施加-4%的收缩应力后,单层TiOCl₂由间接带隙变为直接带隙,带隙减小至1.66 eV.同时TiOCl₂还表现出明显的各向异性特征,电子沿b方向传输(迁移率约为803 cm~2·V^-1·s^-1),空穴则沿a方向传输(迁移率约为2537 cm~2·V^-1·s^-1).此外,施加收缩应力还会使单层TiOCl₂材料的光吸收率、反射率和透射率的波峰(谷)发生红移...     

单层haeckelites结构Ⅲ族金属硫族化合物MX(M=Al,Ga,In;X=S,Se,Te)

通过详尽的第一性原理计算,提出了一类新型的二维III族金属硫族化合物MX (M=Al, Ga, In; X=S,Se, Te)的同素异形体.这类化合物的结构是由正方形和八边形环构成的.计算得到的结合能和声子谱表明,所有的结构都同时具有能量和动力学稳定性.所有结构都是间接带隙半导体,其带隙大小随X原子由S到Se到Te的变化而减小.计算结果表明这类材料具有很广的带隙范围,从1.88到3.24 eV,同时它们的能带结构可以通过双轴应变进一步调节.这些结构具有丰富的电子结构性质和可调的带隙,有可能被用于未来纳米电子学领域.     

双轴应变条件下单层MoSe2电子结构和拉曼光谱的第一性原理计算

二硒化钼的层间相互作用强,单层结构具有更低的带隙和更好的稳定性.由于独特的光学性质和优异的电学性能受到研究人员的广泛关注.本文基于密度泛函理论的第一原理,计算和分析了在双轴拉伸压缩应变条件下单层MoSe₂能带结构,拉曼光谱和声子谱的变化规律以及性质产生的原因.在拉伸压缩应变作用下,直接带隙转变为间接带隙.当拉伸应变达到12%时,材料发生半导体-金属相变.当压缩应变达到6%时,声子谱中开始出现虚频率,表明结构开始变得不稳定.     

应力作用下吸附过渡金属原子的蓝磷单层中的拓扑转变（英文）

本文通过第一性原理计算方法研究了被第四B族过渡金属吸附原子(Cr,Mo,W)修饰的蓝磷单层的电子结构性质,发现Cr修饰的蓝磷单层为磁性半金属,而Mo或W修饰的蓝磷单层为半导体,其带隙均小于0.2 eV.对Mo或W修饰的蓝磷单层施加双轴压应力使得带隙先闭合再打开,且在此过程中发生了能带反转的现象,说明Mo或W修饰的蓝磷单层发生了拓扑转变.Mo和W修饰的蓝磷单层的拓扑转变压应力分别为-5.75%和-4.25%,其拓扑绝缘带隙分别为94 meV和218 meV.如此大的拓扑绝缘带隙意味着在较高温度条件下有可能在蓝磷单层中通过吸附过渡金属原子实现拓扑绝缘态.     

应力作用下吸附过渡金属原子的蓝磷单层中的拓扑转变

本文通过第一性原理计算方法研究了被第四B族过渡金属吸附原子(Cr，Mo，W)修饰的蓝磷单层的电子结构性质，发现Cr修饰的蓝磷单层为磁性半金属，而Mo或W修饰的蓝磷单层为半导体，其带隙均小于0.2 eV. 对Mo或W修饰的蓝磷单层施加双轴压应力使得带隙先闭合再打开，且在此过程中发生了能带反转的现象，说明Mo或W修饰的蓝磷单层发生了拓扑转变. Mo和W修饰的蓝磷单层的拓扑转变压应力分别为-5.75%和-4.25%，其拓扑绝缘带隙分别为94 meV和218 meV. 如此大的拓扑绝缘带隙意味着在较高温度条件下有可能在蓝磷单层中通过吸附过渡金属原子实现拓扑绝缘态.     

应变对单层二硫化钼能带影响的第一性原理研究

采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波赝势方法,研究了双轴拉应变下单层二硫化钼晶体的电子结构性质．本文的计算结果表明对单层二硫化钼晶体施加一个很小的应变（0．5％）时,其能带结构由直接带隙转变为间接带隙．随着应变的增加,能带仍然保持间接带隙的特征,且禁带宽度呈现线性下降的趋势．通过对单层二硫化钼晶体态密度和投影电荷密度的进一步分析,揭示了单层二硫化钼晶体能带变化的原因．     

单层金属卤化物CoX_2(X=Cl、Br、I)可调能隙和磁性研究

本文采用密度泛函理论系统的研究了二维单层金属卤化物CoX_2(X=Cl,Br,I)的结构稳定性、电子性质和磁性质.三种卤化物的束缚能分别是9.01、8.04和6.95 eV,表明Co原子和卤素原子间存在强相互作用.三种材料的能带结构都显示了间接带隙半导体特性.三种材料的总磁矩都是3 μ_B,主要来源于Co原子的磁矩.为了实现对材料物性的调控,我们考虑了双轴应变.发现压缩应变不仅可以显著增强铁磁态的稳定性,还可以实现体系从间接带隙半导体向直接带隙半导体的转变.     

表面氢化的双层氮化硼的结构和电子性质

采用第一性原理方法研究了表面氢化的双层氮化硼的结构和电子性质.考虑了表面氢化的双层BN可能存在的六种主要构型,计算结果表明:AB-BN和AA-BN两种构型最为稳定.进一步分析了氢化后的双层BN最稳定构型的能带和电子性质.AB-BN和AA-BN两种构型的原子薄片均为直接带隙半导体,GGA计算的带隙值分别为1.47 eV和1.32 eV.因为GGA通常严重低估带隙值,采用hybrid泛函计算得到带隙值分别为2.52eV和2.34 eV.在最稳定的AB-BN和AA-BN两种构型中,B-N键呈现共价键,而B-H和N-H则具有明显的离子键的特点.在双轴应变下氢化双层BN原子薄片可以被连续地调节带隙,当晶格常数被压缩约8%时,原子薄片由半导体性转变为金属性.     

基于锡组分和双轴张应力调控的临界带隙应变Ge_(1-x)Sn_x能带特性与迁移率计算

能带工程通过改变材料的能带结构可以显著提升其电学和光学性质,已广泛应用于半导体材料的改性研究.双轴张应力和Sn组分共同作用下的Ge_(1-x)Sn_x合金,不仅可以解决直接带隙转变所需高Sn组分带来的工艺难题,而且载流子迁移率会显著提升,在单片光电集成领域有很好的应用前景.根据形变势理论,分析了(001)面双轴张应变Ge_(1-x)Sn_x的带隙转变条件,并给出了在带隙转变临界点Sn组分和双轴张应力的关系;采用8κ·p方法,得到了临界带隙双轴张应变Ge_(1-x)Sn_x在布里渊区中心点附近的能带结构,进而计算得到电子与空穴有效质量;基于载流子散射模型,计算了电子与空穴迁移率.计算结果表明:较低Sn组分和双轴张应力的组合即可得到直接带隙Ge_(1-x)Sn_x合金,且直接带隙宽度随着应力的增大而减小;临界带隙双轴张应变Ge_(1-x)Sn_x具有极高的电子迁移率,空穴迁移率在较小应力作用下即可显著提升.考虑工艺实现难度和材料性能两个方面,可以选择4%Sn组分与1.2 GPa双轴张应力或3%Sn组分与1.5 GPa双轴张应力的组合用于高速器件和光电器件的设计.     

应力调控BlueP/XTe2(X=Mo,W)范德瓦耳斯异质结电子结构及光学性质理论研究

通过第一性原理计算探讨了蓝磷烯与过渡金属硫化物MoTe₂/WTe₂形成范德瓦耳斯异质结的电子结构和光学性质,以及施加双轴应力对相关性质的影响.计算结果表明,形成BlueP/XTe₂(X=Mo,W)异质结,二者能带排列为间接带隙type-Ⅱ并有较强的红外光吸收,同时屏蔽特性增强.随压缩应力增加,BlueP/XTe₂转变为直接带隙type-Ⅱ能带排列最后转变为金属性;随拉伸应力增加,异质结转变为间接带隙type-Ⅰ能带排列.外加应力也能有效调控异质结的光吸收性质,随压缩应力增加吸收边红移,光吸收响应拓展至中红外光谱区且吸收系数增大;BlueP/MoTe₂较BlueP/WTe₂在中红外至红外光区间表现出更强的光吸收响应;静态介电常数ε1(0)大幅增加.结果表明,压缩应力对BlueP/MoTe₂和BlueP/WTe₂能带排列、光吸收特性均有显著的调控作用,其中BlueP/MoTe₂对调控更敏感,这些特性也使BlueP/XTe₂异质结在窄禁带中红外半导体材料及光电器件具有令人期待的应用价值.     

第一性原理研究电场对BN纳米管电子结构的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了电场对BN纳米管的电子结构的影响.首先对在不同电场强度下的纳米管几何结构进行了优化,可以看出纳米管沿轴方向层间距出现了不规则的变化.电子能带结构显示,在电场作用下,zigzag型和armchair型两种结构纳米管的能带向低能方向移动,并且导致纳米管的带隙有显著的减小.电场使得armchair型纳米管的带隙发生了从间接带隙向直接带隙的转变.在电场作用下,纳米管的两端态密度呈现出明显的差异,正负电荷沿轴向出现了沿轴向的空间分离,Mulliken电荷分布图揭示出最高占据轨道和最低未占据轨道分居在纳米管的两端.     

纳米硅上的弯曲表面效应及其特征发光

纳米硅结构使能带的带隙展宽,并形成准直接能带带隙结构.弯曲表面上的某些键合可以在带隙中产生局域电子态,计算表明:纳米硅弯曲表面上的Si-N,Si=O和Si-O-Si键合能够分别在带隙中2.02 eV,1.78 eV和2.03 eV附近形成局域态子带,对应了实验光致荧光谱(PL)中605 nm处的LN线、693 nm处的LO1线和604 nm处的LO2线特征发光.特别是,Si-Yb键合在纳米硅弯曲表面上可以将发光波长调控到光通信窗口,在1310 nm到1600 nm范围形成LYb线特征发光.     

Cd、Sr掺杂Mg2Ge电子结构和光学性质的第一性原理研究

此文用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法,分别研究了本征、掺Cd、掺Sr的Mg₂Ge的能带结构、电子态密度和光学性质.研究结果表明,本征Mg₂Ge是一种间接带隙半导体,带隙值为0.228eV.Sr的掺入使其变成带隙为0.591 eV的直接带隙半导体,Cd掺杂Mg₂Ge后表现出半金属性质.掺杂后的主要吸收峰减小,吸收谱范围增加.在可见光能量范围内,掺杂的Mg₂Ge有更低的反射率,对可见光的利用率增强.此外,掺杂还提高了高能区的光电导率.     

一维螺旋型Se原子链中的Rashba效应和平带性质

探索低维体系电子态的调控规律可以为构筑下一代微纳电子学器件提供理论基础.本文采用第一性原理计算研究了一维螺旋型Se原子链的结构性质和电子性质.结果发现,该结构比直线型结构能量要低得多,且具有动力学和热力学稳定性.能带计算表明,这种螺旋型一维原子链结构是带隙约为2.0 eV的半导体,且在X点附近展现出Rashba型的自旋劈裂.这种特殊的原子链结构便于人们通过应力调控其电子性质.计算结果表明, 5%的拉伸应变就可以将其带隙减小20%,而5%的压缩应变将Rashba能量偏移增大到平衡体积时的2倍多.此外,其价带是一条平带,引入空穴掺杂可以诱导产生磁性,从而使体系转变为半金属.进一步增加空穴掺杂,体系转变为铁磁金属.同样,这种掺杂效应还出现在一维螺旋型Te原子链中.