二维α-In2Se2的铁电性与器件应用

铁电体具有可控的非易失电极化,在现代电子学中有着广泛的应用,例如大容量电容器、新型二极管、铁电场效应晶体管、铁电隧道结等．伴随着电子元器件的不断微型化,传统铁电体面临着极大的挑战,即在器件减薄过程中受限于临界尺寸效应,铁电性很难稳定存在于纳米乃至单原子层二维极限厚度下．鉴于二维范德华材料具有界面饱和、层间相互作用弱、易于实现二维极限厚度等特性,因此,在二维材料家族中寻找室温二维铁电性将是解决传统铁电体瓶颈的有效方法．本文将首先回顾近年来二维铁电物性研究的相关背景,并针对其中在技术应用上较为重要的α-In２Se３ 面外铁电性作详细介绍,最后总结基于二维α-In２Se３ 的铁电器件应用进展。     

二维铁电体CuCrP2S6的第一性原理研究

三维铁电体材料以其众多优良的性质在许多电子行业内起着无可替代的作用,如制作铁电存储器、高能电容器等等.但随着纳米技术的日趋成熟,磁电材料逐渐受到悬空键和量子隧穿效应等负面因素的影响.因而,二维铁电材料逐渐进入科研人员的视野,它有望克服上述难题.本文利用第一性原理密度泛函理论模拟,关注了一种典型的层状金属硫磷酸盐——Cu...     

二维铁电材料α-In2Se3 表面分子束外延生长Pb 纳米岛的STM 研究

铁电材料拥有自发电极化, 不同的极化方向会对异质结的电子结构产生可逆的和非易失性的影响. 本工作采用分子束外延技术在二维铁电材料α-In2Se3 衬底上成功制备了 Pb 纳米岛构建 Pb/α-In2Se3 超导铁电异质结,并通过扫描隧道显微镜表征了其表面原子结构与电子结构. 进一步的扫描隧道谱测量显示不同层厚 Pb 岛的量子阱态消失, 并且我们在4.5 K 的温度下没有观察到超导能隙, 表明铁电衬底会影响 Pb 岛的电子结构, 甚至其超导特性. 这些发现为理解铁电衬底对超导性的影响提供了参考, 并为调控低维量子材料中的电子结构及超导性提供了新的思路.     

Mg掺杂ZnO所致的禁带宽度增大现象研究

采用第一性原理的超软赝势方法，研究了纤锌矿ZnO及不同量Mg掺杂ZnO合金的电子结构.理论计算表明，Mg的掺杂导致ZnO晶体的禁带宽度增大.研究发现，Zn 4s态决定导带底的位置，Mg的掺入导致Zn 4s态向高能端的偏移是导致禁带宽度增大的根本原因. 关键词： 密度泛函理论 赝势 Mg掺杂ZnO     

单层MoS_2分子掺杂的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法的计算,研究了通过吸附不同有机分子对单层MoS2进行化学掺杂.计算结果表明有机分子与MoS2单层衬底间的相互作用主要是范德瓦尔斯作用力.吸附不同有机分子的单层MoS2结构均表现出间接带隙的特征,还表明吸附TTF分子的单层MoS2结构表现出n型半导体的特质,而吸附TCNQ,TCNE两种分子的单层MoS2结构均表现出p型半导体的性质,这些结果表明可以通过改变吸附的分子来实现对单层MoS2的掺杂类型的调控.本文的研究结果将对单层MoS2在晶体管中的应用提供理论基础和指导.     

Ⅲ族元素掺杂对SnO2电子结构及电学性能的影响

采用密度泛函理论研究了Ⅲ族元素掺杂对SnO2电子结构及电学性能的影响.态密度分析结果表明,以替代位存在的Ⅲ族杂质均使SnO2的费米能级明显向低能态方向移动,使得价带顶不完全填满,因此在SnO2中均充当受主作用.部分态密度分析结果表明,相对于掺Al的SnO2,Ⅲ族元素中的Ga及In对费米能级附近态密度贡献较大,其主要贡献来自Ga3d态或In4d态,这预示着在SnO2中掺Ga或In能实现更好的p型掺杂效果.电离能计算结果进一步表明,在Al,Ga及In三种元素中,替位In有最小的电离能(0.06 eV),这说明其在SnO2中能形成最浅的受主能级,因而在同等掺杂情况下,可引入最高浓度的空穴,从而实现最佳的p型掺杂效果.     

V掺杂二维MoS_2体系气体吸附性能的第一性原理研究

以芥子气和沙林为代表的毒剂具有毒性强、扩散快的特点,是一类杀伤力强、难以防护的化学战剂,对其快速高效检测是一项具有挑战性的课题.本文基于第一性原理计算方法研究了V掺杂对二维MoS_2气敏性能影响的机理,发现V原子向二维MoS_2的掺杂过程为自发的放热反应, V原子可以稳定掺杂于二维MoS_2超胞结构中的S空位上.掺杂进入二维MoS_2体系的V原子作为施主中心向周围Mo原子给出电子,从而提高了材料的导电能力.吸附能、吸附距离和吸附过程中的电子转移计算结果表明V的掺杂提高了二维MoS_2对气体分子的吸附能力,增强了吸附质分子与基底表面的电子相互作用,从而提高了二维MoS_2的气敏性能.     

Ⅲ族元素掺杂对SnO2电子结构及电学性能的影响

采用密度泛函理论研究了Ⅲ族元素掺杂对SnO₂电子结构及电学性能的影响.态密度分析结果表明，以替代位存在的Ⅲ族杂质均使SnO₂的费米能级明显向低能态方向移动，使得价带顶不完全填满，因此在SnO₂中均充当受主作用.部分态密度分析结果表明，相对于掺Al的SnO₂，Ⅲ族元素中的Ga及In对费米能级附近态密度贡献较大，其主要贡献来自Ga3d态或In4d态，这预示着在SnO₂中掺Ga或In能实现更好的p型掺杂效果.电离能计算结果进一步表明，在Al，Ga及In三种元素中，替位In有最小的电离能(0.06 eV)，这说明其在SnO₂中能形成最浅的受主能级，因而在同等掺杂情况下，可引入最高浓度的空穴，从而实现最佳的p型掺杂效果. 关键词： 密度泛函理论 2')" href="#">SnO₂ Ⅲ族元素掺杂 电子结构     

二维VOBr2单层的结构畸变及其磁性和铁电性

借助第一性原理计算,对VOBr₂单层的结构、磁性以及铁电性进行了系统研究.计算结果表明低温下VOBr₂会产生自发铁电极化,从高对称顺电相转变为铁电相结构.与同族姊妹材料VOI₂不同的是,V的二聚化现象不仅无法在VOBr₂中稳定存在,还会导致局域磁_矩淬灭.此外,VOBr₂易磁化轴在面内a轴方向,面内a,b轴上近邻磁矩均为反铁磁耦合.VOBr₂中的铁电极化主要由V在a轴方向V—O—V链上的铁电位移产生,大小约为40μC/cm~2.与铁电同步翻转相比,通过分步翻转不同链上的铁电极化,可以有效降低铁电翻转能垒,从而有望通过低能外场实现部分或个别链上的铁电翻转,为低能耗高密度铁电存储器件设计提供新的思路和方向.     

第一主族元素(Li,Na,K)和第二主族元素(Be,Mg,Ca)掺杂二维六方氮化硼单层的第一性原理计算研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了第一、第二主族元素取代六方BN单层中的B的几何结构、磁性性质和电子结构.研究发现,掺杂的BN单层出现明显的自旋极化特性.对Li,Na,K而言,掺杂后超胞的总磁矩为2μB,对Mg,Ca而言,超胞的总磁矩为1μB,磁矩主要局域在与杂质原子最近邻的N原子上.而对于Be,超胞的总磁矩为0.705μB,磁矩分散在所有的N原子上.对于6种掺杂情况,给出了相应的自旋密度图.掺杂体系产生明显的杂质能级,给出了总态密度和局域投影态密度等结果,分析了杂质能级的产生.发现Mg和Ca掺杂体系的态密度具有明显的半金属特性.     

二维单层Ca_(2)N声子谱和热力学性质的第一性原理研究

开发具有优异性能的可充电二次化学电池材料是解决当今社会所面临能源危机问题的有效途径之一。钠离子电池因为具有原材料储量丰富和价格低廉的优势而被视为替代锂离子电池的最优候选材料。最近的研究表明,二维单层电子化合物Ca_(2)N是良好的钠离子电池负极候选材料。然而,当前研究多集中于块体Ca_(2)N的物性,二维单层Ca_(2)N基本物性的研究还比较缺乏。鉴于此,本工作基于第一性原理计算方法详细研究了单层Ca_(2)N的晶格振动特性,确定了其光学振动模式的频率值、简并度和对称性,并通过声子态密度展示了不同类型原子在不同频率范围的贡献大小。最后,还基于声子谱计算了该材料的声子振动自由能、熵和等体积摩尔热容量等基本热力学性质,并与单晶Ca_(2)N进行了对比分析。本工作对于实验研究者设计具有优异性能的类似结构金属离子电池负极材料具有一定参考价值和理论指导意义。     

二维红外光谱法对肉豆蔻酸相变过程的研究

脂肪酸由于成本低、相变潜热大、热稳定性好的特点,在有机固-液相变材料中应用较多。对脂肪酸进行热分析一般采用热重法（TG）或差示扫描量热法（DSC）得到材料宏观上的热力学性质,但难以对其微观结构变化进行深入探讨。二维红外光谱（2D-IR）在温度扰动的作用下,样品的光谱信号将随之发生动态变化。通过数学处理能够发现样品在相变过程中微观结构的变化。以肉豆蔻酸为例,采用傅里叶红外光谱仪,在4 000～400 cm-1和30～100 ℃温度范围内对肉豆蔻酸进行一系列红外光谱实验。采用二维移动窗口（MW2D）红外光谱技术,对肉豆蔻酸中的CO和O—H键进行分析,发现MW2D测出的肉豆蔻酸熔点与传统的DSC测出的基本一致,且两种化学键显示的热数据具有良好的一致性和稳定性。对光谱数据进行2D-IR分析,结果表明,由于分辨率的提高,一维光谱中单一的重叠吸收峰对应着二维光谱中的多个吸收峰,根据2D-IR的理论知识,推测可能存在二聚体肉豆蔻酸构型向单聚体肉豆蔻酸构型转变的情况。从峰强度和温度的变化关系中发现,升温时CO键和O—H键存在三个变化过程,达到相变温度之前,CO吸收峰强度基本不变,O—H吸收峰强度逐渐下降,说明O—H键偶极矩的变化比CO键更易受温度影响;相变过程中,两者吸收峰强度都显著减弱且O—H吸收峰强度下降幅度更大;达到相变温度之后,可能因O—H形成的分子间氢键,受热导致由强变弱,O—H上的电子云移向CO,导致CO吸收峰强度增大、O—H吸收峰强度减小。同时,结合密度泛函理论,对二维红外光谱的推论进行理论验证,可知存在二聚体肉豆蔻酸向单聚体肉豆蔻酸的转化过程。     

二维α-In_2Se_3的铁电性与器件应用

铁电体具有可控的非易失电极化,在现代电子学中有着广泛的应用,例如大容量电容器、新型二极管、铁电场效应晶体管、铁电隧道结等.伴随着电子元器件的不断微型化,传统铁电体面临着极大的挑战,即在器件减薄过程中受限于临界尺寸效应,铁电性很难稳定存在于纳米乃至单原子层二维极限厚度下.鉴于二维范德华材料具有界面饱和、层间相互作用弱、易于实现二维极限厚度等特性,因此,在二维材料家族中寻找室温二维铁电性将是解决传统铁电体瓶颈的有效方法.本文将首先回顾近年来二维铁电物性研究的相关背景,并针对其中在技术应用上较为重要的α-In_2Se_3面外铁电性作详细介绍,最后总结基于二维α-In_2Se_3的铁电器件应用进展.     

插层化合物LixTiS2中Li离子-空位二维有序结构稳定性的第一性原理研究

根据局域密度近似下的密度泛函理论,用第一性原理方法对TiS2,LiTiS2和LixTiS2(x=1/4,1/3,1/2,2/3,3/4)有序系统进行了几何优化和总能量计算.将计算结果与已有的实验和理论结果进行了对比,得到的归一化结构参量增量△a0和△c0随离子浓度单调地增加,与实验结果符合较好.LixTis2(x=1/4,1/3,1/2,2/3,3/4)有序结构的形成能均小于零,表明这些结构的稳定性.具有√3a0×a0有序结构的Li1/2TiS2系统的形成能最低、结构最稳定.研究结果表明,对上述系统使用局域密度近似下的密度泛函理论是合理的.     

温度扰动下CuCl2/DMF溶液的二维相关拉曼光谱分析

溶液的光谱研究一直受到化学工作者的关注,但大多研究是以一维光谱技术为主,存在分辨率低,误差较大,重叠峰难以分辨等诸多弊端,无法清晰地给出需要的信息。二维光谱通过对外部扰动下的动态光谱进行相关分析计算,从而得到光谱强度的整体变化信息,显著提高一维光谱的分辨率以及重叠峰的分离度。在判断特定外扰下不同官能团的响应次序以及研究分子间、分子内的弱相互作用上具有独特优势。采用二维相关拉曼光谱和理论计算相结合,对溶液内微观团簇及其变化进行了研究。利用显微共焦激光拉曼光谱仪对目标溶液(纯DMF与0.84 mol·L-1的CuCl₂/DMF溶液)进行了升温实验。结果发现在C-N键伸缩振动谱带范围内,由于CuCl₂的加入,特征峰强度整体大幅下降,峰宽变大,在1 115 cm-1有新峰产生,随温度升高,伸缩振动峰强度逐渐下降,峰形变缓。为了获得C-N键振动内各特征峰随温度的变化情况,采用移动窗口二维拉曼(MW2D Raman)光谱技术,对光谱数据进行分析。结果表明溶液内不同类别的微观团簇对温度的敏锐程度不同,随温度升高,它们之间存在相互转化,且变化速度不同。为了获取溶液内各微观团簇运动的实质,以温度为外扰,采用二维拉曼(2D Raman)光谱对目标溶液进行分析,通过对二维光谱中特征峰进行归属和变化次序判断,发现金属Cu2+的加入,使得溶液体系变得更加复杂,除存在原溶剂内所含的团簇构型,还存在与Cu2+发生溶剂化的团簇构型,它们之间存在着一定的相互转化。利用密度泛函理论对溶液中可能存在的团簇构型进行结构优化和热力学计算,结果证实了Cu2+与DMF存在相互作用,且由此产生的团簇构型[Cu(DMF)_n]2+(n=1~6)的稳定性随n的增大逐渐变差,进一步验证了二维相关光谱分析的可行性与正确性。     

室温稳定的二维铁电材料：CuInS2P6 及其异质结构

二维铁电材料有助于实现半导体性质与非易失存储特性在微纳尺度上的有机结合,在高集成化电子器件、光电器件、能量收集、及机电耦合系统等领域展现出巨大的应用潜力。二维铁电材料的层状结构,保证了原子层间的可剥离性,为从理论和实验上探索超薄极限下的铁电性质提供理想的研究平台。考虑到二维磁性研究的低温瓶颈,二维铁电材料为实现铁性功能材料的高温器件化与实用化提供了新途径。在本文中,我们介绍了一种室温稳定的二维铁电材料：铜铟硫代磷酸盐(CuInP2S6)。该材料体系的科学内涵和应用前景,引发了新的研究热潮。在本文中,关于其较高的铁电居里转变温度、显著的压电响应、巨大的负纵向压电系数、可调谐的四重势阱铁电特性、以及基于该材料及其异质结构的器件研究,均有所涉及。我们还简要介绍了几种过渡金属硫代磷酸盐化合物材料体系(M^IM^IIIP2(S/Se)6)中的其他代表性材料。最后,我们关于二维铁电材料研究的未来发展方向进行了讨论。     

过渡金属W、Mn、V、Ti掺杂二维材料MoSi2N4的第一性原理计算

本文基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算了W、Mn、V、Ti替位掺杂二维MoSi₂N₄后的几何结构、电子结构以及光学性质的变化.电子结构分析表明W、Mn、W、Ti替位掺杂二维MoSi₂N₄后的禁带宽度分别为1.806 e V、1.003 e V、1.218 e V和1.373 e V;四种过渡金属掺杂后MoSi₂N₄的带隙类型没有发生改变,均为间接带隙半导体;W掺杂后的杂质能级靠近价带顶,费米能级靠近价带顶,为p型半导体,杂质能级为受主能级;Mn掺杂后的杂质能级靠近导带底,费米能级靠近导带底,为n型半导体;V和Ti掺杂后杂质能级位于费米能级附近,为复合中心;光学性质分析表明,在2 e V～4 e V的能量区间内,W掺杂结构的吸收波长为336 nm,体系发生红移;Mn、V和Ti替位掺杂后的吸收波长分别为320 nm、358 nm和338 nm,且掺杂体系均发生蓝移.     

褶皱状蜂窝结构的单层二维材料研究进展

以石墨烯为代表的二维材料具有新颖的物理特性和潜在的应用前景.但石墨烯的零带隙限制了它在半导体器件中的应用,寻找新的半导体型替代材料成为当前的一个研究热点.作为黑磷的单层,磷烯具有褶皱状蜂窝结构.它具有可调直接带隙、高载流子迁移率和面内各向异性等独特的性质,引起了人们的广泛关注.磷烯的发现开辟了Ⅴ族二维单层材料的研究领域...     

二维本征铁电体及其多铁耦合的研究进展

铁电材料因其具有可被外场调控的电极化状态,以及在传感器、光电器件和信息存储器件中具有潜在应用前景,所以一直以来都是凝聚态物理领域的研究热点.随着微电子集成技术的飞速发展,电子器件日益趋于微型化、集成化和多功能化.传统块体铁电材料因受尺寸效应、界面效应等因素影响,难以满足此发展需求,因而低维铁电材料引起了学术界的广泛关注.近年来,实验上已成功制备出稳定的室温二维铁电材料,第一性原理计算等理论方法对新材料的预测和设计也促进了二维铁电材料的发展.同时,利用二维铁电性与铁谷性、磁性的多铁耦合效应,可以实现电控谷极化、电控磁性等调控机制.多重自由度的相互耦合,会产生如能谷间圆(线)偏振光学选择性、量子自旋霍尔效应等奇异物理特性,对于自旋电子学、谷电子学及光学的发展具有重大的意义.本文首先介绍近年来新型二维铁电材料在理论和实验方面的研究进展,以及二维铁电材料在铁电隧道结、铁电二极管等二维铁电器件中的应用.其次阐述了二维电控铁谷性和电控磁性的多铁耦合效应及其衍生出的新物理现象和机制.最后对二维铁电材料和其他物理性质耦合所具有的丰富物理内涵和广阔应用前景,进行了分析与探讨.     

单元素类石墨烯二维拓扑材料的研究进展

除了石墨烯外,很多主族元素也可以形成类似石墨烯的稳定单层结构,并且具有丰富的物理化学性质及广阔的应用前景.其中在物理学中最引人注目的是理论预言在这些材料中预言存在的二维拓扑物性.单元素类石墨烯二维材料已经经历了十余年的研究进程,目前已经理论发现和实验制备出了若干新型二维拓扑材料,成为当前凝聚态物理和新材料领域重要研究方向之一.在这篇评述中,我们将详细介绍这一领域的研究历程、研究思路,以及最新研究进展,并对其进一步的研究方向做出展望.