应力调控下二维硒化锗五种同分异构体的第一性原理研究

采用第一性原理计算方法,研究了二维单层硒化锗(GeSe)的5种同分异构体结构的稳定性和在应力调控下的电子性质变化规律.计算结果表明:5种同分异构体结构都具有热力学稳定性; a-GeSe是直接带隙半导体, b-GeSe, g-GeSe, d-GeSe和e-GeSe都是间接带隙半导体. a-GeSe在应力调控下出现了直接到间接带隙的转变和半导体到金属性质的转变. b-GeSe和g-GeSe在应力的作用下具有可调节的间接带隙范围.当沿dGeSe双轴方向施加压缩应力为1%和4%时, d-GeSe的能带从间接带隙转变成直接带隙.通过沿e-GeSe的扶手椅形方向施加10%的拉伸应变,出现了从间接带隙到直接带隙的转变;继续增加拉伸应变到20%,能带结构一直保持直接带隙的特征,其可调范围为1.21—1.44 eV.沿d-GeSe双轴方向施加10%拉伸应变时,也出现了从间接带隙到直接带隙的转变;该直接带隙在双轴拉伸应变增加到19%前一直保持,可调范围为0.61—1.19 eV.     

不同应变对Ge的光学性质影响的第一性原理研究

研究了不同方向、不同强度的应变对Ge光学性质的影响。结果表明,Ge在单轴张应变和双轴张应变的调控下,均可由间接带隙转向直接带隙,其中,单轴应变有更低的转变点。Ge在常用波段处(0.4 eV)的介电函数实部和虚部在张应变作用下,均急速上升而后在一定应变范围内下降。对Ge进行[111]单轴应变调控能表现出更好的光学性能以及更便捷的器件设计(较低的应变量)。     

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.     

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。     

(110)应变对立方相Ca_2P_(0.25)Si_(0.75)能带结构及光学性质的影响

采用第一性原理贋势平面波方法对(110)应变下立方相Ca_2P_(0.25)Si_(0.75)的能带结构及光学性质进行模拟计算,全面分析了应变对Ca_2P_(0.25)Si_(0.75)能带结构、光学性质的影响.计算结果表明:在92%~100%压应变范围内随着应变的逐渐增大导带向低能方向移动,价带向高能方向移动,带隙呈线性逐渐减小,但始终为直接带隙;在100%~102%张应变范围内随着应变的增加,带隙呈逐渐增大,应变达到102%直接带隙最大Eg=0.54378 e V;在102%~104%应变范围内随着应变的增加,带隙逐渐减小;当应变大于104%带隙变为间接带隙且带隙随着应变增大而减小.施加应变Ca_2P_(0.25)Si_(0.75)的介电常数、折射率均增大;施加压应变吸收系数增加,反射率减小;施加张应变吸收系数减小,反射率增加.综上所述,应变可以改变Ca_2P_(0.25)Si_(0.75)的电子结构和光学常数,是调节Ca_2P_(0.25)Si_(0.75)光电传输性能的有效手段.     

（110）应变对立方相Ca2Si能带结构及光学性质的影响

采用第一性原理贋势平面波方法对(110)应变下立方相Ca2P0.25Si0.75的能带结构及光学性质进行模拟计算,全面分析了应变对Ca2P0.25Si0.75能带结构、光学性质的影响。计算结果表明：在92%~100%压应变范围内随着应变的逐渐增大导带向低能方向移动,价带向高能方向移动,带隙呈线性逐渐减小,但始终为直接带隙;在100%~102%张应变范围内随着应变的增加,带隙呈逐渐增大,应变达到102%直接带隙最大Eg=0.54378eV;在102%~104%应变范围内随着应变的增加,带隙逐渐减小;当应变大于104%带隙变为间接带隙且带隙随着应变增大而减小。施加应变Ca2P0.25Si0.75的介电常数、折射率均增大;施加压应变吸收系数增加,反射率减小;施加张应变吸收系数减小,反射率增加。综上所述,应变可以改变Ca2P0.25Si0.75的电子结构和光学常数,是调节Ca2P0.25Si0.75光电传输性能的有效手段。     

（110）应变对立方相Ca2Si能带结构及光学性质的影响

采用第一性原理贋势平面波方法对(110)应变下立方相Ca2P0.25Si0.75的能带结构及光学性质进行模拟计算,全面分析了应变对Ca2P0.25Si0.75能带结构、光学性质的影响。计算结果表明：在92%~100%压应变范围内随着应变的逐渐增大导带向低能方向移动,价带向高能方向移动,带隙呈线性逐渐减小,但始终为直接带隙;在100%~102%张应变范围内随着应变的增加,带隙呈逐渐增大,应变达到102%直接带隙最大Eg=0.54378eV;在102%~104%应变范围内随着应变的增加,带隙逐渐减小;当应变大于104%带隙变为间接带隙且带隙随着应变增大而减小。施加应变Ca2P0.25Si0.75的介电常数、折射率均增大;施加压应变吸收系数增加,反射率减小;施加张应变吸收系数减小,反射率增加。综上所述,应变可以改变Ca2P0.25Si0.75的电子结构和光学常数,是调节Ca2P0.25Si0.75光电传输性能的有效手段。     

单轴、双轴应变Si拉曼谱应力模型

本文依据拉曼光谱原理, 基于Secular方程及拉曼选择定则分别获得了单轴、 双轴(001), (101), (111)应变Si材料应变张量与拉曼谱线移动的定量关系, 并在此基础上, 基于广义胡克定律最终建立了单轴、双轴(001), (101), (111)应变Si材料拉曼谱峰与应力的理论关系模型. 该模型建立过程详细、系统, 所得结果全面、量化, 可为应变Si材料应力的测试分析提供重要理论参考.     

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．     

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.     

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.     

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.     

应变对二维蜂巢晶格光子晶体能带结构的影响

基于平面波法,本论文对应变引起的二维蜂巢晶格光子晶体的能带结构进行了数值计算。选取的两个方向分别是锯齿型边界(zigzag)方向和扶手椅型边界(armchair)方向,在这两个典型方向上对二维蜂巢晶格进行了正负各20%的单轴应变。由于应变导致的对称性破缺,能带结构会有显著的变化。在沿锯齿型边界方向上,TE模带隙随着晶格被拉伸逐渐减小,TM模带隙在应变量大于16%时消失。对于沿扶手椅型边界方向,TE模带隙在压缩15%以上时逐渐减小,在其他应变量的情况下几乎保持不变;TM模带隙在应变量大于18%时消失。这些结果对于完善应力工程和设计二维光子晶体器件有重要的指导意义。     

(001)和(111)取向的张应变量子阱光学特性的比较

以(001)和(111)价带Lutinger-Kohn哈密顿量为基础,讨论了这两种取向的量子阱的能带结构、态密度(DOS)、跃迁矩阵元和增益特性。由于材料结构的各向异性,(111)取向的量子阱在平行生长面内有较小的重空穴有效质量,无应变和压应变激光器可以很好地利用这一点。而(001)取向的量子阱虽有较小的平面内轻空穴有效质量,但并不比(111)量子阱的小多少;加上(001)量子阱的价带耦合效应强,使其DOS比(111)量子阱的大,在相同载流子注入下,张应变(111)量子阱的增益系数比相应(001)量子阱的要高。所以张应变(111)量子阱激光器仍然比相应的(001)量子阱激光器性能要好。可以认为匹配和压应变的(111)激光器优异的性能不仅来自小的面内有效质量,也来自于弱的价带耦合效应。     

不同晶系应变Si状态密度研究

应变Si技术是当前微电子领域研究发展重点,态密度是其材料的重要物理参量.本文基于应力相关KP理论,建立了(001),(101)和(111)晶面施加双轴应力形成的四方、单斜及三角晶系应变Si导带、价带态密度模型.结果表明,除单斜和三角晶系导带底态密度外,应力对其余各态密度均有显著影响.本文所得模型数据量化,可为应变Si材料物理的理解及其他物理参数模型的建立奠定重要理论基础. 关键词： 应变Si KP 态密度     

表面氢化双层硅烯的结构和电子性质

采用密度泛函理论(DFT)广义梯度近似GGA和HSB06方法研究了氢化双层硅烯(silicene)的结构和电子性质, 结果表明: 氢化后的双层硅烯可能存在三种稳定的构型, AA椅型、AB椅型和AA船型, 其中AA椅型和AB椅型结构最为稳定, 氢化后这三种稳定构型材料的性质由零带隙的半金属(semimetal)转变为禁带宽度分别为1.208, 1.437和1.111 eV 的间接带隙的半导体, 采用混合泛函HSB06计算修正得到的带隙分别为1.595, 1.785 和1.592 eV. 进一步分析了在双轴应变下氢化双层硅烯的带隙随应变的关系, 得到应变可以连续的调节材料的带隙宽度, 这些性质有可能应用于未来的纳米电子器件.     

二维X-AlN(X=C,Si,TC)半导体的可见光调控与反常热输运

在二维材料中,平面六方氮化铝(AlN)对开发电子器件至关重要.但宽带隙限制了其应用,为进一步突破性能瓶颈,本文采用结构搜索的方法找到一种新型孔状皱面的AlN构型,由于其特殊的孔状构型,可在孔中引入C, Si原子与碳三角环(TC)形成新型二维X-AlN (X=C, Si, TC)结构,从而提升其光学与热学性能.结果表明:1)在电子结构方面,由于X-p_z电子的局域性,费米面附近产生的孤立能带将带隙值从4.12 eV (AlN)分别降至0.65 (C-AlN)和1.85 eV (Si-AlN),显著改善了AlN的宽带隙. TC-AlN由于碳三角环间C-p_z杂化形成离域π键,使能量降低,实现了间接带隙到直接带隙的转变. 2)热输运方面,与AlN, C/Si-AlN相比, TCAlN由于碳三角环间强共价键抑制了垂直面内的声子振动,极大地增强了热导率.此外,在X-AlN中施加双轴应变,热导率出现先上升后下降的异常变化趋势,这是源于随应变增强的N—N键带来的低非谐性与声子模软化降低群速度之间的竞争.本工作给出了调控二维AlN性能的新路径,为提高半导体电子、...