二硫化钨/石墨烯异质结的界面相互作用及其肖特基调控的理论研究

采用第一性原理方法研究了二硫化钨/石墨烯异质结的界面结合作用以及电子性质,结果表明在二硫化钨/石墨烯异质结中,其界面相互作用是微弱的范德瓦耳斯力.能带计算结果显示异质结中二硫化钨和石墨烯各自的电子性质得到了保留,同时,由于石墨烯的结合作用,二硫化钨呈现出n型半导体.通过改变界面的层间距可以调控二硫化钼/石墨烯异质结的肖特基势垒类型,层间距增大,肖特基将从p型转变为n型接触.三维电荷密度差分图表明,负电荷聚集在二硫化钨附近,正电荷聚集在石墨烯附近,从而在界面处形成内建电场.肖特基势垒变化与界面电荷流动密切相关,平面平均电荷密度差分图显示,随着层间距逐渐增大,界面电荷转移越来越弱,且空间电荷聚集区位置向石墨烯层方向靠近,导致费米能级向上平移,证实了肖特基势垒随着层间距的增加由p型接触向n型转变.本文的研究结果将为二维范德瓦耳斯场效应管的设计与制作提供指导.     

石墨烯-六方氮化硼面内异质结构的扫描隧道显微学研究

石墨烯-六方氮化硼面内异质结构因可调控石墨烯的能带结构而受到广泛关注. 本文介绍了在超高真空体系内, 利用两步生长法在两类对石墨烯分别有强和弱电子掺杂的基底, 即Rh(111)和Ir(111)上制备石墨烯-六方氮化硼单原子层异质结构. 通过扫描隧道显微镜及扫描隧道谱对这两种材料的形貌和电子结构进行研究发现: 石墨烯和六方氮化硼倾向于拼接生长形成单层的异质结构, 而非形成各自分立的畴区; 在拼接边界处, 石墨烯和六方氮化硼原子结构连续无缺陷; 拼接边界多为锯齿形型, 该实验结果与密度泛函理论计算结果相符合; 拼接界面处的石墨烯和六方氮化硼分别具有各自本征的电子结构, 六方氮化硼对石墨烯未产生电子掺杂效应.     

边缘重构对锯齿型石墨烯纳米带电子输运的影响

实验研究表明石墨烯纳米带中广泛地存在边缘结构重构且稳定的边缘缺陷结构.本文采用第一性原理的计算方法研究了锯齿型石墨烯纳米带中边缘结构重构形成的两种不同缺陷结构对材料电子输运性能的影响.研究发现两种缺陷边缘结构对稳定纳米尺度位型结构和电子能带结构具有显著影响,它使得费米能级发生移动并引起了共振背散射.两种边缘缺陷重构均抑制了费米能级附近电子输运特性并导致不同区域的电子完全共振背散射,电导的抑制不仅与边缘缺陷结构的大小有关,它更取决于边缘缺陷重构位型引起的缺陷态的具体分布和电子能带的移动.     

半绝缘GaAs的双调制反射光谱研究

半导体材料电子能带结构的确定对研究其物理性质及其在半导体器件方面的应用有重要意义.光调制反射光谱是一种无损和高灵敏度的表征半导体材料电子能带结构的光学手段.光调制反射光谱中激光调制导致的材料介电函数的变化在联合态密度奇点附近表现得更为明显.通过测量这些变化,可以得到有关材料能带结构临界点的信息.然而在传统的单调制反射光谱中,激光调制信号的光谱线型拟合和临界点数目的分析往往被瑞利散射和荧光信号所干扰.本文将双调制技术与双通道锁相放大器结合,消除了瑞利信号和荧光信号的干扰,获得了具有较高信噪比的调制反射光谱信号.双通道锁相放大器可以同时解调出反射光谱信号及其经泵浦激光调制后的细微变化量,避免了多次采集时可能存在的系统误差.利用这种技术,在可见激光(2.33 eV)泵浦下,我们测量了半绝缘GaAs体材料从近红外至紫外波段(1.1-6.0 eV)的双调制反射光谱,获得了多个能带结构临界点的信息.探测到了高于泵浦能量之上的与GaAs能带结构高阶临界点对应的特征光谱信号,说明带隙以上高阶临界点的光调制反射光谱本质是光生载流子对内建电场的调制,并不是来自该临界点附近的能带填充效应.这一结果表明双调制反射光谱能够对半导体材料能带结构带隙及其带隙以上临界点进行更准确的表征.     

非金属元素掺杂二硒化钨/石墨烯异质结对其肖特基调控的理论研究

采用平面波超软赝势方法研究了非金属元素掺杂对二硒化钨/石墨烯肖特基电子特性的影响.研究表明二硒化钨与石墨烯层间以范德瓦耳斯力结合形成稳定的结构.能带结果表明二硒化钨与石墨烯在稳定层间距下形成n型肖特基势垒.三维电子密度差分图表明石墨烯中的电子向二硒化钨移动,使二硒化钨表面带负电,石墨烯表面带正电,界面形成内建电场.分析表明,将非金属原子掺杂二硒化钨可以有效地调控二硒化钨/石墨烯肖特基势垒的类型和高度. C, O原子掺杂二硒化钨时,肖特基类型由p型转化为n型,并有效降低了肖特基势垒的高度; N, B原子掺杂二硒化钨时,掺杂二硒化钨体系表现出金属性,与石墨烯接触表现为欧姆接触.本文结果可为二维场效应晶体管的设计与制作提供相关指导.     

MoS_2电子屏蔽长度和等离激元

通过有效哈密顿量求解了单层MoS_2低能量区的电子薛定谔方程,分析得出电子能量本征值以及波函数、电子态密度以及电子间的屏蔽长度.发现电子能带分裂成两支导带和两支价带,并且其能带是准线性的.MoS_2的电子间的屏蔽长度非常大,高达10~8cm~(-1).利用费曼图形自洽方法,在无规相近似的基础上研究了单层二硫化钼电子系统的多体相互作用产生的等离激元.研究发现二硫化钼系统由于自旋的劈裂使得导带中存在两支自旋频率不同的等离激元,该元激发的特征与单层石墨烯和传统二维电子气的等离激元对波矢q的依赖关系是一样的,激发频率都正比于q~(1/2),并且随着电子浓度的增加激发频率增大.由于其准线性的能量色散关系,该系统等离激元的频率与电子浓度的变化关系非常不同于石墨烯和二维电子气的关系.自旋-轨道耦合对单层二硫化钼的能带结构和电子性质有重要的影响.研究发现,通过调控二硫化钼系统的电子浓度可以有效地调节该系统两支等离激元的频率.研究结果对理解二硫化钼的电子结构和性质,以及开发二硫化钼为基础的等离子器件有重要的研究和参考价值.     

金衬底调控单层二硫化钼电子性能的第一性原理研究

基于密度泛函的第一性原理研究了金衬底对单层二硫化钼电子性能的调控作用. 从结合能、能带结构、电子态密度和差分电荷密度四个方面进行了深入研究. 结合能计算确定了硫原子层在界面的排布方式, 并指出这种吸附结构并不稳定. 能带结构分析证实了金衬底与单层二硫化钼形成肖特基接触, 并出现钉扎效应. 电子态密度分析表明金衬底并没有影响硫原子和钼原子之间的共价键, 而是通过调控单层二硫化钼的电子态密度增加其导电率. 差分电荷密度分析表明单层二硫化钼的导电通道可能在界面处产生. 研究结果可对单层二硫化钼晶体管的建模和实验制备提供指导.     

石墨烯纳米网电导特性的能带机理：第一原理计算

通过第一原理电子结构计算来研究有序多孔纳米网的电导特性变化的能带机理.能带结构分析结果表明:石墨烯纳米网超晶格(3m,3n)(m和n为整数)的电子本征态在布里渊区中心点发生四重简并;碳空位孔洞规则排列形成的石墨烯纳米网具有由简并态分裂形成的宽度可调带隙,无论石墨烯的两个子晶格是否对等.在具有磁性网孔阵列的石墨烯纳米网中,反铁磁耦合使对称子晶格的反演对称性增加了一项量子限制条件,导致能带结构在K点的二重简并态分裂成带隙.通过控制网孔密度能够有效调节石墨烯纳米网的带隙宽度,为实现新一代石墨烯纳米电子器件提供了理论依据.     

类石墨烯复杂晶胞光子晶体中的确定性界面态

拓扑绝缘体是当前凝聚态物理领域研究的热点问题.利用石墨烯材料的特殊能带特性来实现拓扑输运特性在设计下一代电子和能谷电子器件方面具有较广泛的应用前景.基于光子与电子的类比,利用光子拓扑材料实现了确定性界面态;构建了具有C_(6v)。对称性的类似石墨烯结构的的光子晶体复杂晶格;通过多种方式降低晶格对称性来获得具有C_(3v),C_3,C_(2v)和C_2对称的晶体,从而打破能谷简并实现全光子带隙结构;将体拓扑性质不同的两种光子晶体摆放在一起,在此具有反转体能带性质的界面上,实现了具有单向传输特性的拓扑确定性界面态的传输.利用光子晶体结构的容易加工性,可以简便地调控拓扑界面态控制光的传播,可为未来光拓扑绝缘体的研究提供良好的平台.     

垂直电场下扭转双层石墨烯光学吸收性质的理论研究

层间扭转角度是对石墨烯物理性质宽波段可调谐的一个新参量.本文采用2°<θ<15°扭转角度下的连续近似模型,获得了不同扭转角度双层石墨烯分别在有、无电场下的能带结构,通过电子-光子相互作用跃迁速率,计算模拟了范霍夫奇点附近电子带内跃迁和带间跃迁所引起的光学吸收谱.结果表明,在无外加电场时,带间跃迁吸收峰的位置随着扭转角度的增大而发生从红外到可见光波段的蓝移,且吸收系数增大,带内跃迁的光学吸收系数相对于带间跃迁高出2个数量级;而存在外加电场时,两个范霍夫奇点在波矢空间的位置发生偏移,带间跃迁吸收峰发生分裂,且两个分裂的吸收峰位置随着电场强度的不断增大而反向行进.上述研究结果对石墨烯材料在光电器件方面的应用有一定指导作用.     

Li掺杂少层MoS2的电荷分布及与石墨和氮化硼片的比较

基于第一性原理计算, 研究了Li掺杂的少层(1-3层) MoS₂的电荷分布, 并与石墨片和BN片的电荷分布特征进行了比较. 与石墨片和BN片相同的是: 电荷转移的大部分只发生在Li与最靠近Li的第一层MoS₂之间. 然而, 第二层和第三层MoS₂也能获得10%的转移电荷, 而石墨片和BN片的第二层和第三层得不到2%的电荷. 结合静电能和功函数的分析可知, MoS₂、石墨片和BN片的电荷分布主要由层间的静电相互作用和功函数来决定. 这些研究结果对于揭示具有多层结构的电荷分布特征及其电子器件的设计提供了理论支持.     

Energy band alignment of 2D/3D MoS2/4H-SiC heterostructure modulated by multiple interfacial interactions

The interfacial properties of MoS₂/4H-SiC heterostructures were studied by combining first-principles calculations and X-ray photoelectron spectroscopy. Experimental (theoretical) valence band offsets (VBOs) increase from 1.49 (1.46) to 2.19 (2.36) eV with increasing MoS₂ monolayer (1L) up to 4 layers (4L). A strong interlayer interaction was revealed at 1L MoS₂/SiC interface. Fermi level pinning and totally surface passivation were realized for 4H-SiC (0001) surface. About 0.96e per unit cell transferring forms an electric field from SiC to MoS₂. Then, 1L MoS₂/SiC interface exhibits type I band alignment with the asymmetric conduction band offset (CBO) and VBO. For 2L and 4L MoS₂/SiC, Fermi level was just pinning at the lower MoS₂ 1L. The interaction keeps weak vdW interaction between upper and lower MoS₂ layers. They exhibit the type II band alignments and the enlarged CBOs and VBOs, which is attributed to weak vdW interaction and strong interlayer orbital coupling in the multilayer MoS₂. High efficiency of charge separation will emerge due to the asymmetric band alignment and built-in electric field for all the MoS₂/SiC interfaces. The multiple interfacial interactions provide a new modulated perspective for the next-generation electronics and optoelectronics based on the 2D/3D semiconductors heterojunctions.     

酞菁铜与MoS_2(0001)范德瓦耳斯异质结研究

利用光电子能谱、原子力显微镜以及低能电子衍射等表面研究手段系统研究了真空沉积生长的酞菁铜薄膜与衬底MoS2(0001)之间的范德瓦耳斯异质结界面电子结构和几何结构.角分辨光电子能谱清楚地再现了MoS2(0001)衬底在Γ点附近的能带结构.低能电子衍射结果表明,CuPc薄膜在MoS2(0001)表面沿着衬底表面[11ˉ20],[1ˉ210]和[ˉ2110]三个晶向有序生长,反映了衬底对CuPc的影响.原子力显微镜结果表明,CuPc在MoS2衬底上遵循层状-岛状生长模式:在低生长厚度下(单层薄膜厚度约为0.3 nm),CuPc分子平面平行于MoS2表面上形成均匀连续的薄膜;在较高的沉积厚度下,CuPc沿衬底晶向形成棒状晶粒,表现出明显的各向异性.光电子能谱显示界面偶极层为0.07 eV,而且能谱在膜厚1.2 nm饱和,揭示了酞菁铜与MoS2(0001)范德瓦耳斯异质结的能级结构.     

掺杂对金属-MoS_2界面性质调制的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,计算了卤族元素掺杂对金属-MoS_2界面性质的影响,包括缺陷形成能、电子能带结构、差分电荷密度以及电荷布居分布.计算结果表明:卤族元素原子倾向于占据单层MoS_2表面的S原子位置;对于单层MoS_2而言,卤族元素的掺杂将在禁带中引入杂质能级以及导致费米能级位置的移动.对于金属-MoS_2界面体系,结合Schottky-Mott模型,证明了卤族元素的掺杂可以有效地调制金属-MoS_2界面间的肖特基势垒高度.发现F和Cl原子的掺杂将会降低体系的肖特基势垒高度.相比之下,Br和I原子的掺杂却增大了体系的肖特基势垒高度.通过差分电荷密度和布居分布的分析,阐明了肖特基势垒高度的被调制是因为电荷转移形成的界面偶极矩的作用导致.研究结果解释了相关实验现象,并给二维材料的器件化应用提供了调节手段.     

(Cu,N)共掺杂TiO2/MoS2异质结的电子和光学性能:杂化泛函HSE06

在密度泛函理论的基础上,系统地研究了Cu/N（共）掺杂的TiO₂/MoS₂异质结体系的几何结构、电子结构和光学性质.计算发现,TiO₂/MoS₂异质结的带隙相比于纯的TiO₂（101）表面明显变小,Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂异质结体系的禁带宽度也明显地减小,这导致光子激发能量的降低和光吸收能力的提高.通过计算Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂的差分电荷密度,发现光生电子与空穴积累在掺杂后的TiO₂（101）表面和单层MoS₂之间,这表明掺杂杂质体系可以有效地抑制光生电子-空穴对的复合.此外,我们计算了在不同压力下TiO₂/MoS₂异质结的几何、电子和光学性质,发现适当增加压力可以有效提高异质结的光吸收性能.本文结果表明,Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂异质结和对TiO₂/MoS₂异质结加压都能有效地提高材料的光学性能.     

石墨烯封装单层二硫化钼的热稳定性研究

将单层二硫化钼用石墨烯进行封装,构造了石墨烯和二硫化钼的范德瓦耳斯异质结构,并且分别在氩气（Ar）和氢气（H₂）氛围下,详细研究了被封装的二硫化钼的热稳定性.结果表明：在氩气氛围中,石墨烯封装的二硫化钼在400–1000℃下一直保持稳定,而石墨烯和氧化硅上裸露的二硫化钼在1000℃时几乎全部分解;在氢气氛围中,石墨烯封装的二硫化钼在400–1000℃下一直稳定存在,而石墨烯和氧化硅上裸露的二硫化钼在800℃下已经完全分解.综上可得,在氩气和氢气的氛围下,被石墨烯封装的二硫化钼的热稳定性得到了显著的提高.该研究通过用石墨烯将单层的二硫化钼进行封装以提高其热稳定性,在未来以单层二硫化钼作为基础材料的电子器件中,可以保证其在高温下能够正常工作.该研究也为提高其他二维材料的热稳定性提供了一种可行的方法和思路.     

Electronic and optical properties of 3N-doped graphdiyne/MoS2 heterostructures tuned by biaxial strain and external electric field

The construction of van der Waals (vdW) heterostructures by stacking different two-dimensional layered materials have been recognised as an effective strategy to obtain the desired properties. The 3N-doped graphdiyne (N-GY) has been successfully synthesized in the laboratory. It could be assembled into a supercapacitor and can be used for tensile energy storage. However, the flat band and wide forbidden bands could hinder its application of N-GY layer in optoelectronic and nanoelectronic devices. In order to extend the application of N-GY layer in electronic devices, MoS₂ was selected to construct an N-GY/MoS₂ heterostructure due to its good electronic and optical properties. The N-GY/MoS₂ heterostructure has an optical absorption range from the visible to ultraviolet with a absorption coefficient of 10⁵ cm^-1. The N-GY/MoS₂ heterostructure exhibits a type-Ⅱ band alignment allows the electron-hole to be located on N-GY and MoS₂ respectively, which can further reduce the electron-hole complexation to increase exciton lifetime. The power conversion efficiency of N-GY/MoS₂ heterostructure is up to 17.77%, indicating it is a promising candidate material for solar cells. In addition, the external electric field and biaxial strain could effectively tune the electronic structure. Our results provide a theoretical support for the design and application of N-GY/MoS₂ vdW heterostructures in semiconductor sensors and photovoltaic devices.     

Interfacial properties of 2D WS2 on SiO2 substrate from X-ray photoelectron spectroscopy and first-principles calculations

Two-dimensional (2D) WS₂ films were deposited on SiO₂ wafers, and the related interfacial properties were investigated by high-resolution X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and first-principles calculations. Using the direct (indirect) method, the valence band offset (VBO) at monolayer WS₂/SiO₂ interface was found to be 3.97 eV (3.86 eV), and the conduction band offset (CBO) was 2.70 eV (2.81 eV). Furthermore, the VBO (CBO) at bulk WS₂/SiO₂ interface is found to be about 0.48 eV (0.33 eV) larger due to the interlayer orbital coupling and splitting of valence and conduction band edges. Therefore, the WS₂/SiO₂ heterostructure has a Type I energy-band alignment. The band offsets obtained experimentally and theoretically are consistent except the narrower theoretical bandgap of SiO₂. The theoretical calculations further reveal a binding energy of 75 meV per S atom and the totally separated partial density of states, indicating a weak interaction and negligible Fermi level pinning effect between WS₂ monolayer and SiO₂ surface. Our combined experimental and theoretical results provide proof of the sufficient VBOs and CBOs and weak interaction in 2D WS₂/SiO₂ heterostructures.