GeH/π层间弱相互作用调控锗烯电子结构的机制

锗烯是继石墨烯、硅烯发现以来最重要的二维纳米材料之一, 以其优异的物理化学性质迅速得到人们的广泛关注. 然而, 锗烯具有的零带隙能带特点(狄拉克点)极大程度地限制了其在微电子纳米材料方面的应用. 本文采用范德华力修正的密度泛函计算方法, 研究了锗烯、锗烷、锗烯/锗烷的几何和电学性质. 研究发现, 锗烯和锗烷可以通过弱相互作用形成稳定的双层结构, 并在锗烯中打开一个85 meV的带隙. 电子结构分析表明, Ge-H/π 的存在破坏了锗烯子晶格的对称性, 从而在狄拉克点上打开一个带隙. 差分电荷密度图分析表明有部分电荷从H原子的s轨道转移至Ge的p_z轨道. 该电荷转移机制增强了锗烯与锗烷之间的相互作用力, 是形成锗烯/锗烷双层二维纳米结构的主要原因. 进一步研究还发现, 锗烷/锗烯/锗烷的三明治结构无法在锗烯中打开带隙. 这是由于两侧的锗烷对夹层的锗烯作用力等价, 无法破坏锗烯的子晶格对称性, 所以无法打开锗烯带隙. 最后, 所有计算结果都在高精度杂化密度泛函HSE06计算精度下得到进一步验证. 因此, 本文从理论上提出了一种切实可行的打开锗烯狄拉克点的方法, 为锗烯在场效应管和其他纳米材料中的应用提供了理论指导.     

二维硼碳基纳米结构上的吸附及其性质

综述金属原子与非金属原子和分子在石墨烯、BC₃平面等二维硼碳基纳米结构上的吸附所表现出的各种物理性质及可能的应用.纯净的石墨烯为零带隙的半金属、无磁且自旋轨道耦合效应非常弱,BC₃平面为间接带隙半导体,但金属原子与非金属原子和分子的吸附可能使石墨烯体系在Dirac点处打开带隙、具有强自旋轨道耦合效应,可能使石墨烯体系与二维BC₃体系具有磁有序、超导电性及应用在氢存储上.另外石墨烯表现出非常好的分子探测性能.     

电场对分子线电荷密度的影响

本文以分子2-氨基5-硝基-1,4-二乙炔基-4'-苯硫醇基苯为研究对象,该分子通过硫氢官能团化学吸附于两金表面构成一分子线.从第一性原理出发利用密度泛函理论优化了该分子体系的几何结构,计算了分子线的电子结构.外加电场将影响分子的电子结构,从而进一步影响电子在分子线内的输运,本文主要对不同电场下分子线的电荷密度分布进行了讨论与计算.该工作将有利于未来分子电子学器件的设计.     

电场对分子线电子结构的影响

从第一性原理出发,利用密度泛函理论计算了分子2-氨基-5-硝基-1,4-二乙炔基-4-苯硫醇基苯与金原子团形成的分子线的电子结构,从轨道、能级及吸附电子三个方面讨论了电场对分子线电子结构的影响.该工作将有利于未来纳米电子学器件的设计.     

边修饰GeS2纳米带的电子特性及调控效应

GeS₂单层已成功制备,为了进一步扩展其应用范围以及发现新的物理特性,我们构建扶手椅型GeS₂纳米带(AGeS₂NR)模型,并采用不同浓度的H或O原子进行边缘修饰,且对其结构稳定性、电子特性、载流子迁移率以及物理场调控效应进行深入研究.研究表明边修饰纳米带具有良好的能量与热稳定性.裸边纳米带是无磁半导体,而边修饰能改变AGeS₂NR的带隙,使其成为宽带隙或窄带隙半导体,或金属,这与边缘态消除或部分消除或产生杂化能带有关,所以边缘修饰调控扩展了纳米带在电子器件及光学器件领域的应用范围.此外,计算发现载流子迁移率对边缘修饰十分敏感,可以调节纳米带载流子迁移率(电子、空穴)的差异达到1个数量级,同时产生载流子极化达到1个数量级.研究还表明半导体性纳米带在较大的应变范围内具有保持电子相不变的鲁棒性,对于保持相关器件电子输运的稳定性是有益的.绝大部分半导体性纳米带在较高的外电场作用下,都具有保持半导体特性不变的稳定性,但带隙随电场增大而明显变小.总之,本研究为理解GeS₂纳米带特性并研发...     

外电场对NO在Graphene负载的Pd单原子上的吸附特性的调控

本研究中,通过基于密度泛函理论的第一性原理并考虑范德华力修正计算了Graphene负载的Pd单原子界面特性以及NO的吸附特性(包括吸附构型的结构参数、吸附能和电子结构等),并着重研究了电场对其吸附特性的调控规律及其内在机理.结果表明：1) NO在Pd/Graphene上能够形成较强的化学吸附,吸附能为1.09 eV.吸附的NO分子中的N-O键拉长. Pd-d态与NO-p态的强杂化作用都表明NO分子在Pd-Graphene上被活化. 2)在电场作用下Graphene负载的单原子Pd上的电荷随施加的电场逐渐变化. 3)跟没有施加电场的NO吸附的体系相比,当对NO吸附体系施加沿Z正方向的电场时,NO的吸附增加,吸附的NO从衬底获得更多的负电荷,而Pd所带的正电荷逐步减少;当对NO吸附体系施加沿Z负方向的电场时,NO的吸附减弱,吸附的NO从衬底获得的负电荷逐渐减少,而Pd所带的正电荷逐步增加. 4)外加电场能够有效地调控NO的吸附特性,并调控NO与衬底之间的电荷转移进而调控其电子结构.     

氢空位簇调控锗烷的电子结构和分子掺杂

锗烷因其合适的带隙、较高的电子迁移速率、较好的环境稳定性、较小的电噪声和超薄的几何结构,有望取代现有硅基或锗基材料成为下一代半导体器件的理想载体.基于密度泛函理论和非平衡格林函数的第一性原理方法,研究了不同构型和浓度的氢空位簇对锗烷电子结构及锗烷中四硫富瓦烯(tetrathiafulvalene,TTF)分子掺杂性能的影响.计算结果表明,不同构型氢空位簇的引入可诱导Germanane Dehydrogenated-x H (G_D–xH)体系产生不同性质的磁性,且磁矩大小亦与Lieb定理的预测结果相符,并能在GD-x H (x=1, 4, 6)体系自旋向下的能带结构中实现由缺陷态引起的类p型半导体掺杂效应,其电子激发所需的能量则会随着体系脱氢浓度的升高而不断降低.吸附TTF分子后, G/TTF和G_D-xH/TTF (x=1, 2, 6)体系表现出分子掺杂效应,且GD-x H/TTF (x=1, 6)体系因分子轨道与缺陷态的杂化作用,可在自旋向上与自旋向下的能带结构中形成不同的掺杂类型.进一步的量子输运计算还表明, Armchair和Zigzag...     

光器件应用改性Ge的能带结构模型

Ge为间接带隙半导体,通过改性技术可以转换为准直接或者直接带隙半导体.准/直接带隙改性Ge半导体载流子辐射复合效率高,应用于光器件发光效率高;同时,准/直接带隙改性Ge半导体载流子迁移率显著高于Si半导体载流子迁移率,应用于电子器件工作速度快、频率特性好.综合以上原因,准/直接带隙改性Ge具备了单片同层光电集成的应用潜力.能带结构是准/直接带隙改性Ge材料实现单片同层光电集成的理论基础之一,目前该方面的工作仍存在不足.针对该问题,本文主要开展了以下三方面工作:1)揭示了不同改性条件下Ge材料带隙类型转化规律,完善了间接转直接带隙Ge实现方法的相关理论; 2)研究建立了准/直接带隙改性Ge的能带E-k模型,据此所获相关结论可为发光二极管、激光器件仿真模型提供关键参数; 3)提出了准/直接带隙改性Ge的带隙调制方案,为准/直接带隙改性Ge单片同层光电集成的实现提供了理论参考.本文的研究结果量化,可为准/直接带隙改性Ge材料物理的理解,以及Ge基光互连中发光器件有源层研究设计提供重要理论依据.     

气体吸附对硅锗异质结纳米线电子结构与光学性质的影响

基于密度泛函理论体系下的广义梯度近似(GGA),采用第一性原理方法探讨了沿[112]晶向的硅锗异质结纳米线作为气体传感器检测CO,CO₂和Cl₂的能力,着重计算了其吸附气体分子前后的吸附能、能带结构与光学性质.几何结构优化计算表明：不同硅锗组分的[112]晶向的硅锗纳米线对CO,CO₂和Cl₂分子的吸附能的绝对值在0.001 eV至1.36 eV之间,其中Si₂₄Ge₃₆H₃₂对CO₂气体的吸附能最大,气敏性能最好.能带结构计算表明：吸附CO和CO₂分子的[112]晶向硅锗纳米线能带的简并度明显减小,带隙变化较小;而吸附Cl₂分子后的价带顶与导带底之间产生了杂质能级使其带隙减小.光学性质计算表明：Si₂₄Ge₃₆H₃₂纳米线吸附CO, CO₂和Cl₂分子后的光学...     

硅基锗薄膜的异质外延生长及其在光电子器件中的应用

准直接带隙的锗,其禁带宽度小,吸收系数大,迁移率高,更重要的是,它能与硅微电子工艺兼容,在硅基光电集成中得到了广泛的研究和应用．文章综述了硅基锗薄膜的异质外延生长及其在光电子器件（特别是长波长光电探测器和激光器）应用上的进展;介绍了在硅衬底上异质外延生长锗薄膜的缓冲层技术,如组分变化的SiGe缓冲层技术、选区外延技术和低温技术;讨论了硅基锗薄膜光电探测器的性能与结构的关系以及发展趋势;分析了张应变和n型掺杂对锗光电性质的影响;展望了硅基锗薄膜单片集成和电抽运激光器的前景．     

Effect of electric field on the electronic properties of functionalized germanane by organic molecular adsorption

Modulating the doping effect and charge transfer in germanane is very important for germanane-based electronic or optoelectronic devices with reproducible electrical characteristics. In this letter, we investigate the effect of electric field on the electronic properties of functionalized germanane by tetrathiafulvalene (TTF) molecular adsorption through first-principles calculations. It is found that the nondestructive n-type doping effect induced by tetrathiafulvalene (TTF) molecular adsorption could be linearly tuned by external electric field ranged from −0.3 V/Å to 0.3 V/Å. Especially under the electric field of −0.3 V/Å, an excellent n-type doping in germanane can be realized where the energy difference between the filled band maximum of dopant and the conduction band minimum of germanane for electron excitation is only 0.085 eV. More interestingly, once the external electric field exceeds 0.15 V/Å, the typical electron donor molecule TTF would even overturn to accept the electrons from germanane substrate.     

Modulation of strain,electric field and organic cation rotation on the band gap and electronic structures of organic-inorganic hybrid perovskite CH3NH3PbI3

Band gap modulation engineering is an important step in the application of optoelectronic materials. In this paper, the first-principles calculations were carried out to study the influence of strain, external electric field, spatial orientation of organic cation on the band gaps and electronic structures of organic-inorganic hybrid halide perovskites CH₃NH₃PbI₃. The results show that both the uniform strain and the tetragonal deformation can modulate the band gap obviously. The electric field of 0.2 V/Å is the critical point of the band gap modulation. The band gap increases when an electric field is applied from 0 to 0.2 V/Å. The electric field above 0.2 V/Å will cause the band gap to decrease. The spatial orientation of the organic cation also has modulation influence on the band gap of CH₃NH₃PbI₃, but has no effect on the direct semiconductor characteristics. The above results will be helpful to study the band gap modulation of other organic-inorganic hybrid halide perovskites.     

Tuning the electronic and magnetic properties of germanene by surface adsorption of small nitrogen-based molecules

The structural, energetic and electronic properties of germanene adsorbed with small nitrogen-based molecules, including N₂, NH₃, NO₂ and NO, have been investigated by using first-principles calculations. The results show that all nitrogen-based molecules considered bind much stronger to germanene than to graphene due to the hybridized sp²-sp³ bonding of Ge atoms. The N₂, NO and NO₂ molecules all act as an acceptor, while the NH₃ molecule donates electrons to germanene. We also found sizable band gaps (2–158 meV) are opened at the Dirac point of germanene through N₂, NH₃, and NO₂ adsorptions, but with only slightly destroying its Dirac cone shape. The NO₂ molecule also shows a heavy p-type doping character and makes germanene to be metallic. Moreover, when adsorbed by NO molecule, the germanene can change to be a ferromagnetic half-metal with 100% spin-polarization at the Fermi level. Overall, the different adsorption behaviors of small nitrogen-based gas molecules on germanene provide a feasible way to exploit chemically modified germanene for a wide range of practical applications, such as field-effect transistors, gas sensors and spintronic devices.     

Half-metallicity induced by out-of-plane electric field on phosphorene nanoribbons

Exploring the half-metallic nanostructures with large band gap and high carrier mobility is a crucial solution for developing high-performance spintronic devices. The electric and magnetic properties of monolayer zigzag black-phosphorene nanoribbons (ZBPNRs) with various widths are analyzed by means of the first-principles calculations. Our results show that the magnetic ground state is dependent on the width of the nanoribbons. The ground state of narrow nanoribbons smaller than 8ZBPNRs prefers ferromagnetic order in the same edge but antiferromagnetic order between two opposite edges. In addition, we also calculate the electronic band dispersion, density of states and charge density difference of 8ZBPNRs under the action of out-of-plane electric field. More interesting, the addition of out-of-plane field can modulate antiferromagnetic semiconductor to the half metal by splitting the antiferromagnetic degeneracy. Our results propose a new approach to realize half-metal in phosphorene, which overcomes the drawbacks of graphene/silicene with negligible band gap as well as the transitional metal sulfide (TMS) with low carrier mobility.     

光伏半导体器件对能量小于禁带宽度光子的响应机理研究

利用光子能量为0.12 eV的10.6 μm连续激光分别辐照了禁带宽度为0.91和0.33 eV的光伏碲镉汞探测器. 实验表明,激光辐照下禁带宽度为0.91 eV的探测器输出正电压,而禁带宽度为0.33 eV的探测器对激光的响应方向却与之相反. 为了研究此现象,利用功率密度一定的10.6 μm激光辐照不同开路电压状态下禁带宽度为0.91 eV的探测器,实验结果证实初始开路电压是产生输出电压反向现象的原因. 对这一机理进一步分析发现,光伏探测器在光子能量小于禁带宽度的激光辐照下,其开路电压是热激发载流子导致的热生电动势和自由载流子吸收导致的晶格热效应共同决定的. 关键词： 能量小于禁带宽度的光子 光伏碲镉汞探测器 热生电动势 晶格热效应     

电场中MgO分子吸附H2的理论研究

研究电场中MgO分子与H2的相互作用是探索MgO材料储氢性能的基础。在B3LYP/6-31G**水平上研究了电场中H2在MgO分子上的吸附行为。结果给出电场中单个H2在Mg/O上的吸附能由无电场时-0.021/-0.099eV提高到场强为0.005a.u.时的-0.037/-0.139 eV。H2吸附在O离子上时,电场效应更显著。电场中MgO分子最多能吸附10个H2,相应的质量密度达33wt%。表明电场诱导MgO材料吸附H2是一种具有潜力的储氢方法。通过电子结构分析讨论了电场中MgO分子储氢的机理。     

电场中MgO分子吸附H_2的理论研究

研究电场中MgO分子与H_2的相互作用是探索MgO材料储氢性能的基础.在B3LYP/6-31G**水平上研究了电场中H2在MgO分子上的吸附行为.结果给出电场中单个H_2在Mg/O上的吸附能由无电场时-0.021/-0.099eV提高到场强为0.005a.u.时的-0.037/-0.139eV.H2吸附在O离子上时,电场效应更显著.电场中MgO分子最多能吸附10个H_2,相应的质量密度达33wt%.表明电场诱导MgO材料吸附H_2是一种具有潜力的储氢方法.通过电子结构分析讨论了电场中MgO分子储氢的机理.     

电场中LiF分子吸附H_2的理论研究

采用密度泛函理论方法研究了电场中H_2在LiF分子上的吸附行为.结果表明,无电场时,H_2能在Li与F原子上形成弱的物理吸附.外加电场可显著提高其吸附强度, H_2在Li/F上的吸附能由无电场时的-0.112/-0.122eV提高到场强为0.005 a. u.时的-0.122/-0.171 eV, H_2吸附在F上时更稳定.利用分子中的原子量子理论(QTAIM)方法研究了电场增强吸附的机理,表明电场促进了H_2与LiF间的电荷转移,同时使LiF及H_2极化,增强了其间的静电作用,从而提高了吸附强度.电场中LiF最多能吸附10个H_2,相应的质量密度达43.5 wt%.表明电场诱导LiF材料吸附H_2是一种具有潜力的储氢方法.     

Electric field effects on tunnel magnetoresistance in FM–organic molecule–FM junction

The electronic properties of an organic molecule under external electric field are investigated based on a single band tight-binding model Hamiltonian and the Green's function approach with the Landauer–Büttiker formalism. These properties are studied for a chain of benzene rings (oligophenylene). A self-consistent calculation is adopted to analyze the external electric field effects on the electronic properties of system. It is shown that variation in electron density and HOMO–LUMO gap of the junction are direction depended on the external electric field strength. Our results show that in the presence of external electric field the transmission, current and tunnel magnetoresistance (TMR) decrease, the negative differential resistance occurs.