空位缺陷对单层2H-MoTe2光电效应的第一性原理研究

MoTe₂由于其类石墨烯的堆叠方式和丰富的相结构而引起科研人员的广泛研究,特别是合适的禁带宽度使其在光电器件领域有着光明的应用前景。基于非平衡格林函数-密度泛函理论,通过第一性原理计算方法,研究了不同原子空位缺陷对单层2H-MoTe₂光电效应的影响。结果表明:不同空位缺陷下2H-MoTe₂器件的光电流函数与唯象理论相符合。光子能量在1.0~2.8 eV时,2Te空位缺陷对单层2H-MoTe₂的光电流有显著提升,特别是在光子能量2.6 eV时获得所有器件的最大光电流。利用能带结构发现不同原子空位缺陷都导致单层2H-MoTe₂的价带向高能级处偏移,而导带向低能级处偏移,减小了带隙,在线性偏振光的照射下有利于电子从价带跃迁到导带形成光电流。同时发现1Te空位缺陷和Mo空位缺陷的单层2H-MoTe₂在远离费米能级处具有相似的能带结构,从而导致在光子能量大于1.6 eV时,1Te空位和Mo空位器件的光电流随光子能量的变化拥有相同的变化趋势。这些计算结果可以用于指导MoTe₂光电器件的设计。     

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。     

Co元素掺杂CrSi2的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,对Co掺杂CrSi₂的几何结构、电子结构和光学性质进行了计算与分析.结果表明,掺杂后的CrSi₂晶格常数无明显变化,禁带宽度增大.由于Co元素3d电子的影响,在费米能级附近出现了杂质能级.掺杂后的CrSi₂复介电函数虚部在低能方向发生红移,在小于1.20 eV,大于2.41 eV的能量范围内光跃迁强度增强.吸收系数的主峰向高能方向移动,峰值增大,在小于1.38 eV,大于3.30 eV的能量范围改善了CrSi₂对红外光子的吸收.光电导率的主峰向高能方向移动,在小于1.16 eV,大于2.36 eV的能量范围内光电导率增强,说明掺杂Co元素后改善了CrSi₂特别是红外光区的光电性质,计算结果为CrSi₂光电器件的研究制造提供了理论依据.     

Sc、Ce掺杂CrSi2的电子结构与光学性质的第一性原理

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法对Sc、Ce单掺和共掺后CrSi₂的几何结构、电子结构、复介电函数、吸收系数和光电导率进行了计算。结果表明:Sc、Ce掺杂CrSi₂的晶格常数增大,带隙变小。本征CrSi₂的带隙为0.386 eV,Sc、Ce单掺及共掺CrSi₂的禁带宽度分别减小至0.245 eV、0.232 eV、0.198 eV,费米能级均向低能区移动进入价带。由于Sc的3d态电子和Ce的4f态电子的影响,Sc、Ce掺杂的CrSi₂在导带下方出现了杂质能级。掺杂后的CrSi₂介电函数虚部第一介电峰峰值增加且向低能方向移动,说明Sc、Ce掺杂使得CrSi₂在低能区的光跃迁强度增强,Sc-Ce共掺时更明显。Sc、Ce掺杂的CrSi₂吸收边在低能方向发生红移,在能量大于21.6 eV特别是在位于31.3 eV的较高能量附近,本征CrSi₂几乎不吸收光子,Sc单掺和Sc-Ce共掺CrSi₂吸收光子的能力有所增强,并在E=31.3 eV附近形成了第二吸收峰。说明掺杂Sc、Ce改善了CrSi₂对红外和较高能区光子的吸收。在小于3.91 eV的低能区掺杂后的CrSi₂光电导率增加。在20.01 eV<E<34.21 eV时,本征CrSi₂光电导率为零,但Sc、Ce掺杂后的体系不为零,掺杂拓宽了CrSi₂的光响应范围。研究结果为CrSi₂基光电器件的应用与设计提供了理论依据。     

一步CVD法制备WS2-MoS2垂直异质结及其表征

本文主要研究了WS₂-MoS₂垂直异质结的制备及其光电性能。以氧化钼(MoO₃)、氧化钨(WO₃)、硫粉(S)作为反应物,采用改良的一步化学气相沉积法(CVD)实现高质量的WS₂-MoS₂垂直异质结的制备。使用拉曼光谱仪(Raman)、光致发光光谱仪(PL)、光学显微镜(OM)、原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线光电子能谱仪(XPS)等设备,对异质结的形貌、元素组成等进行了表征。最后制备了基于WS₂-MoS₂异质结的光电探测器,测量了包括输出特性曲线、转移特性曲线、光电流曲线等光电特性。经测试,WS₂-MoS₂异质结光电探测器在532 nm激光模式下展现了良好的光响应特性,使其能应用于高效率的光电子器件的制备,在微电子学领域具有广阔的应用前景。     

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。     

Fe掺杂α-Bi2O3光电性质的第一性原理研究

采用第一性原理杂化泛函HSE06方法对Fe掺杂α-Bi₂O₃的电子结构和光学性质进行了计算研究。结果表明,Fe掺杂α-Bi₂O₃体系有较小的结构变形,本征α-Bi₂O₃的禁带宽度为2.69 eV,Fe掺杂使α-Bi₂O₃的禁带宽度减小(约为2.34 eV)。对其光学性质研究得出Fe掺杂扩展了α-Bi₂O₃对可见光的吸收范围,即发生了红移,从而为Fe掺杂α-Bi₂O₃在光催化领域中的应用提供了理论依据。     

Mg,N掺杂β-Ga2O3光电性质的第一性原理计算

通过基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了Mg单掺杂、N单掺杂和不同浓度的Mg-N共掺杂β-Ga₂O₃的结构性质、电子性质和光学性质,以期获得性能比较优异的p型β-Ga₂O₃材料。建立了五种模型:Mg单掺杂、N单掺杂、1个Mg-N共掺杂、2个Mg-N共掺杂和3个Mg-N共掺杂β-Ga₂O₃。经过计算,3个Mg-N共掺杂β-Ga₂O₃体系的结构最稳定。此外,在5种模型中,3个Mg-N共掺杂β-Ga₂O₃体系的禁带宽度是最小的,并且N 2p和Mg 3s贡献的占据态抑制了氧空位的形成,从而增加了空穴浓度。因此,3个Mg-N共掺杂β-Ga₂O₃体系表现出优异的p型性质。3个Mg-N共掺杂体系的吸收峰出现明显红移,在太阳盲区的光吸收系数较大,这归因于导带Ga 4s、Ga 4p、Mg 3s向价带O 2p、N 2p的带间电子跃迁。本工作将为p型β-Ga₂O₃日盲光电材料的研究和应用提供理论指导。     

铅基卤化物钙钛矿太阳电池的模拟研究

多元硫化物Cd_0.5Zn_0.5S和氧化亚铜Cu₂O载流子迁移率较大,且其制作工艺相对于传统的电子传输层和空穴传输层更为简单,因此这两种材料在钙钛矿太阳电池中具有很好的应用潜力。本文利用SCAPS-1D软件对以Cu₂O和Cd_0.5Zn_0.5S为传输层、以铅基卤化物钙钛矿为吸收层的太阳电池进行模拟,主要研究了该器件的材料厚度、掺杂浓度、禁带宽度等因素对太阳电池性能的影响。结果表明:当光吸收层(CH₃NH₃PbI₃)厚度开始增大时电池性能逐渐提高,但是增大到一定厚度时,电池性能下降,光吸收层的最佳厚度为400 nm;当光吸收层的缺陷态密度小于1.0×10¹⁴ cm^-3时,缺陷态密度对电池性能的影响比较小;此外,铅基卤化物钙钛矿的禁带宽度对电池性能有重要影响,最佳禁带宽度为1.5 eV左右。通过模拟,得到了优化后的性能参数为:开路电压为1.010 V,短路电流密度为31.30 mA/cm²,填充因子为80.01%,电池转换效率为25.20%。因此,Cu₂O/CH₃ NH₃PbI₃/Cd_0.5Zn_0.5S钙钛矿太阳电池是一种很有发展潜力的光伏器件。     

应变对单层碘化铅的能带及光电导率影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波赝势方法,研究了双轴拉应变下碘化铅单层晶体的电子结构和光电导性质.结果显示,其禁带宽度随拉应变增加而略呈线性下降趋势.对应变引起的光电导率的变化进行分析,表明双轴应变能使光电导的峰值略微红移.进一步分析了单层碘化铅晶体的能态密度,解释了单层碘化铅晶体能带结构改变的机制.     

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。     

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。     

α相和β相BiNbO4∶Eu3+的荧光性能

采用高温固相法合成出正交相和三斜相结构的BiNbO₄∶Eu³⁺样品,利用X 射线衍射(XRD)、拉曼光谱、吸收光谱和荧光光谱对样品的结构和光学性能进行了研究。结果表明:900 ℃合成样品为正交相结构α-BiNbO₄,而1 200 ℃得到三斜相结构β-BiNbO₄。吸收光谱得到α相和β相BiNbO₄的光学带隙分别为2.69 eV和2.96 eV,与第一性原理的理论结果2.640 eV和3.032 eV相吻合。Eu³⁺掺杂诱导二者的光学带隙蓝移至2.89 eV和3.05 eV,有效改变了其光响应范围。荧光光谱表明:Eu³⁺在两种结构的最强荧光峰均来自⁵D₀→⁷F₂电偶极跃迁,最强荧光峰分别位于615 nm和611 nm。Eu³⁺在β-BiNbO₄中的荧光强度更高,而且其⁵D₀→⁷F₂和⁵D₀→⁷F₁的荧光强度比值更大。与Eu³⁺相似,Er³⁺在β-BiNbO₄中具有更高的上转换荧光强度,其强度约是在α-BiNbO₄中荧光的近40倍,说明三斜结构BiNbO₄更适合做稀土离子的基质材料。     

高温扩散工艺制备带隙可调的β-(AlxGa1-x)2O3薄膜

β-(Al_xGa_1-x)₂O₃因其优异的抗击穿及带隙可调节性在现代功率器件及深紫外光电探测等领域展现出巨大的应用前景，然而传统直接生长工艺的复杂性和难度限制了其进一步的发展。因此，本文采用较为简单的高温扩散工艺在c面蓝宝石衬底上成功制备了β-(Al_xGa_1-x)₂O₃纳米薄膜。利用X射线衍射、原子力显微镜、扫描电子显微镜和紫外-可见分光光度计对其进行了表征。由于高温下蓝宝石衬底中的Al原子向Ga₂O₃层扩散，β-Ga₂O₃薄膜将转变为Al、Ga原子比例不同的β-(Al_xGa_1-x)₂O₃薄膜。实验结果显示：当退火温度从1 010℃增加到1 250℃时，薄膜中Al的平均含量从0.033增加到0.371;当退火温度从950℃增加到1 250℃时...     

Ru掺杂MoS2对SO2F2和H2S气体吸附的第一性原理研究

本文基于第一性原理探讨了Ru掺杂的单层MoS₂(Ru-MoS₂)的结构及其对SF₆绝缘设备中的两种主要分解气体SO₂F₂和H₂S的传感和吸附行为。Ru原子进入硫空位从而产生Ru-MoS₂,结果表明，Ru-MoS₂对SO₂F₂和H₂S气体的吸附能(E_ad)分别为-1.52和-2.11 eV,属于化学吸附。通过能带分析(BS)和态密度(DOS)分析进一步证明了两个体系的吸附性能，并阐述了Ru-MoS₂用于电阻式气体传感器时的气体吸附传感机制。除此之外，本文在理论上探索了不同温度下Ru-MoS₂解吸附SO₂F₂和H₂S的恢复时间，在598 K温度下，SO₂F₂吸附体系的恢复时间为6...