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...     

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.     

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．     

二维材料XTe_2(X=Pd,Pt)热电性能的第一性原理计算

利用密度泛函理论结合玻尔兹曼输运方程,预测了二维层状热电材料XTe_2 (X=Pd, Pt)的热电性质.两种材料都具有较低的热导率,材料的晶格热导率随温度的升高而降低,且表现出各向异性.而电子热导率随温度的升高而升高.在较低温时,晶格热导率对总热导率的贡献占据主导地位.较高的载流子迁移率、电导率及塞贝克系数也对材料的热电转换效率产生极大的影响,展现出较为优异的电输运性能.对比分析PdTe_2和PtTe_2两种材料的ZT值,发现两种材料的热电性能以p型掺杂为主. PtTe_2单层的ZT值高于PdTe_2单层,并且PtTe_2单层在常温下的ZT峰值可达到2.75,是一种极具潜力的热电材料.     

一种新型二维TiO_2的电子结构与光催化性质

基于第一性原理计算方法,设计出了一种新型二维半导体材料TiO_2,并进一步研究了其结构稳定性,电子结构,载流子迁移率和光学性质等.二维TiO_2的形成能、声子谱、分子动力学、弹性常数表明,二维TiO_2具有较好的动力学,热力学和机械稳定性,具备实验制备的条件,且能够稳定存在于常温条件下.电子结构分析表明,二维TiO_2是一种间接带隙半导体,在GGA+PBE和HSE06算法下的能隙分别为1.19 e V和2.76 e V,其价带顶和导带底能级分别由Ti-3d和Ti-4s态电子构成, O原子的电子态在费米能级附近贡献很小,主要分布在深处能级.载流子迁移率显示,二维TiO_2的迁移率比单层Mo S2要小,其电子和空穴迁移率分别为31.09和36.29 cm~2·V~(–1)·s~(–1).由于空穴迁移率和电子迁移率的各向异性,电子-空穴复合率较低,使得单层TiO_2的使用寿命更长,光催化活性更好.在应变调控下,二维TiO_2的能隙发生明显响应,以适用于各种半导体器件的需要.半导体的带边势和光学性质显示,在–5%—2%单/双轴应变下,二维TiO_2能够光裂水制H2,在–5%—5%单/双轴应变下,能够光裂水制O_2, H_2O_2和O_3等.此外,二维TiO_2对可见光和紫外光具有较高的吸收系数,说明其在未来光电子器件和光催化材料领域有着潜在的应用前景.     

高质量单层二硫化钼薄膜的研究进展

作为一种新型的二维半导体材料,单层二硫化钼薄膜由于其优异的特性,在电子学与光电子学等众多领域具有潜在的应用价值.本文综述了我们课题组在过去几年中针对单层二硫化钼薄膜的研究所取得的进展,具体包括:在二硫化钼薄膜的制备方面,通过氧辅助化学气相沉积方法,实现了大尺寸单层二硫化钼单晶的可控生长和晶圆级单层二硫化钼薄膜的高定向外延生长;在二硫化钼薄膜的加工方面,发展了单层二硫化钼薄膜的无损转移、洁净图案化加工、可控结构相变与局域相调控的方法,为场效应晶体管等电子学器件的制备与性能优化提供了基础;在二硫化钼异质结方面,研究了二硫化钼薄膜与其他二维材料形成的异质结的电学以及光电性质,为二维材料异质结的构筑和器件特性研究提供了实验参考;在二硫化钼薄膜功能化器件与应用方面,构筑了全二维材料、亚5 nm超短沟道场效应晶体管器件,验证了单层二硫化钼对短沟道效应的有效抑制及其在5 nm工艺节点器件中的应用优势;此外,利用制备的高质量单层二硫化钼和发展的器件洁净加工技术,实现了高性能柔性薄膜晶体管的集成,获得了超高灵敏度与稳定性的非接触型湿度传感器.我们在二硫化钼薄膜的制备、加工以及器件特性研究方面所取得的进展对于二硫化钼及其他二维过渡金属硫属化合物的基础和应用研究均具有指导意义.     

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.     

H,F修饰单层GeTe的电子结构与光催化性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法,计算了单层GeTe、表面氢化及氟化单层GeTe的晶体结构、稳定性、电子结构和光学性质.计算结果表明,经过修饰后, GeTe的晶格常数、键角、键长增大,且均具有较好的稳定性.电子结构分析表明,单层GeTe为间接带隙半导体,全氢化修饰、全氟化修饰以及氢氟共修饰(F, Ge同侧;H, Te同侧)则转变为直接带隙半导体,且修饰后的能隙均不同程度减小.载流子有效质量表明,全氢化、全氟化以及氢氟共修饰GeTe (F, Ge同侧;H, Te同侧)的有效质量减小,其载流子迁移率增强.带边势分析结果显示,单层GeTe能够光裂解水制氢和析氧,而修饰后的GeTe的价带带边势明显下移,其氧化性明显增强,能够光裂解水析O2, H2O2, O3以及OH·等产物.光学性质表明,修饰后的GeTe对可见光区和红、紫外区的光谱吸收效果明显增强,表明其在光催化领域有着广阔的应用前景.     

单层二硫化钼力学性能温度和手性效应的分子动力学模拟

针对文献中单层二硫化钼力学性能随温度变化趋势的不明确,本文基于Stillinger-Weber原子间势函数,采用经典分子动力学方法对单层二硫化钼在不同热力学温度下(1—800 K)的力学行为进行了单轴拉伸模拟,研究温度和手性对其力学性能的影响.结果表明:单层二硫化钼的杨氏模量、抗拉强度、拉伸极限应变等力学性能均随温度的升高而显著减小;单层二硫化钼的杨氏模量和抗拉强度存在明显的手性效应,而不同手性方向的拉伸极限应变差别不大,可以忽略;温度低于800 K时,不同手性二硫化钼断裂之前受拉加载和卸载均没有明显的相变发生;温度在1 K时,沿锯齿方向受拉的单层二硫化钼在极限强度附近会有明显的局部相变发生,且卸载时相变结构能保持稳定.本文也测量出单层二硫化钼在温度1—800 K下沿扶手和锯齿方向的线膨胀系数.     

类石墨烯硼-磷单层材料的电子与光学性能的第一性原理计算研究

基于第一性原理计算,对硼-磷单层材料的电子结构和光学性质进行系统地理论研究. 全局结构搜索和第一性原理分子动力学模拟现实二维硼-磷单层材料能量最低的结构与石墨烯类似,具有很高的稳定性. 类石墨烯二维硼-磷单层是直接带隙半导体,带隙宽度1.37 eV,其带隙宽度随层数增加而减少. 硼-磷单层的带隙宽度受外界应力影响.硼-磷单层的载流子迁移率达到106 cm2/V. MoS2/BP二维异质结可用于光电器件,其理论光电转换效率为17.7%?19.7%. 表明类石墨烯硼-磷二维材料在纳米电子器件与光电子器件的潜在应用价值.     

Quantum oscillations and nontrivial transport in(Bi_(0.92)In_(0.08))_2Se_3

Quantum phase transition in topological insulators has drawn heightened attention in condensed matter physics and future device applications.Here we report the magnetotransport properties of single crystalline(Bi_(0.92)In_(0.08))_2Se_3.The average mobility of～1000 cm~2·V~(-1)·s~(-1)is obtained from the Lorentz law at the low field(3 T)up to 50 K.The quantum oscillations rise at a field of～5 T,revealing a high mobility of～1.4×10~4cm~2·V~(-1)·s~(-1)at 2 K.The Dirac surface state is evident by the nontrivial Berry phase in the Landau–Fan diagram.The properties make the(Bi_(0.92)In_(0.08))_2Se_3a promising platform for the investigation of quantum phase transition in topological insulators.     

Growth condition optimization and mobility enhancement through inserting AlAs monolayer in the InP-based In_xGa_(1-x)As/In_(0.52)Al_(0.48)As HEMT structures

The structure of In P-based In_xGa_(1-x) As/In0.52Al0.48 As pseudomorphic high electron mobility transistor(PHEMT)was optimized in detail.Effects of growth temperature,growth interruption time,Si δ-doping condition,channel thickness and In content,and inserted Al As monolayer(ML) on the two-dimensional electron gas(2DEG) performance were investigated carefully.It was found that the use of the inserted Al As monolayer has an enhancement effect on the mobility due to the reduction of interface roughness and the suppression of Si movement.With optimization of the growth parameters,the structures composed of a 10 nm thick In0.75Ga0.25 As channel layer and a 3 nm thick Al As/In0.52Al0.48 As superlattices spacer layer exhibited electron mobilities as high as 12500 cm~2·V-1·s~(-1)(300 K) and 53500 cm~2·V~(-1_·s~(-1)(77 K) and the corresponding sheet carrier concentrations(Ns) of 2.8×10~(12)cm~(-2)and 2.9×1012cm~(-2),respectively.To the best of the authors' knowledge,this is the highest reported room temperature mobility for In P-based HEMTs with a spacer of 3 nm to date.     

层状二硫化钼研究进展

近年来,层状二硫化钼由于其特殊的类石墨烯结构和独特的物理化学性质已成为国内外研究的热点.本文综述了层状二硫化钼的物理结构、价带结构和光学性质;介绍了制备方法,包括生长制备和剥离制备.生长制备的原料包括四硫代钼酸铵((NH4)_2MoS_4)、钼(Mo)和三氧化钼(MoO_3)等.剥离制备包括微机械剥离、液相超声法、锂离子插层法和电化学锂离子插层法等.归纳了层状二硫化钼在场效应晶体管、传感器和存储方面的应用,展望了层状二硫化钼的研究前景.     

AlN插入层对AlxGa1-xN/GaN界面电子散射的影响

本文研究AlN作为Al_xGa_1-xN/GaN插入层引起的电子输运性质的变化, 考虑了Al_xGa_1-xN和AlN势垒层的自发极化、压电极化对Al_xGa_1-xN/AlN/GaN双异质结高电子迁移率晶体管(HEMT)中极化电荷面密度、二维电子气(2DEG) 浓度的影响, 分析了AlN厚度与界面粗糙度散射和合金无序散射的关系; 结果表明, 2DEG 浓度、界面粗糙度散射和合金无序散射依赖于AlN层厚度, 插入一层1–3 nm薄的AlN层, 可以明显提高电子迁移率.     

氧空穴导致二氧化钒低温相带隙变窄

具有一定能量的光照导致低温绝缘二氧化钒(VO_2)发生绝缘体金属转变.本文通过密度泛函理论的Heyd-Scuseria-Ernzerhof杂化泛函方法对含氧空穴的低温绝缘VO_2非磁M1相进行第一性原理研究.研究发现,含氧空穴的M1的晶格参数几乎不变,但氧空穴附近的长的V—V键长却变短了.进一步研究发现,尽管纯的非磁M1的带隙是0.68 eV,但含O1和O2位的氧空穴非磁M1带隙分别为0.23 eV和0.20 eV,同时含有O1和O2位氧空穴非磁M1带隙为0.15 eV,这很好地解释了实验结果.     

非共振圆偏振光作用下单层二硫化钼电子结构及其自旋/谷输运性质

基于紧束缚近似下的低能有效哈密顿模型和久保线性响应理论,研究了外部非共振圆偏振光作用下单层二硫化钼(MoS_2)电子结构及其自旋/谷输运性质.研究结果表明:单层MoS_2布里渊区K谷和K′谷附近自旋依赖子带间的能隙随着非共振右旋圆偏振光引起的有效耦合能分别线性增大和先减小后增大,随着非共振左旋圆偏振光引起的有效耦合能分别先减小后增大和线性增大,实现了系统能带结构有趣的半导体-半金属-半导体转变.此外,单层MoS_2在外部非共振圆偏振光作用下,呈现有趣的量子化横向霍尔电导和自旋/谷霍尔电导,自旋极化率在非共振右/左旋圆偏振光有效耦合能±0.79 eV附近达到最大并发生由正到负或由负到正的急剧转变,谷极化率随着非共振圆偏振光有效耦合能先增大后减小并在其绝对值0.79-0.87 eV范围内达到100%.因而,可以利用外部非共振圆偏振光将单层MoS_2调制成自旋/谷以及光电特性优异的新带隙材料.     

具有本征低晶格热导率的硫化银快离子导体的热电性能

硫化银(Ag_2S)是一种典型的快离子导体材料,前期关于Ag_2S的研究主要集中在光电和生物等领域.最近的研究表明, a-Ag_2S具有和金属一样的良好延展性和变形能力.但是, Ag_2S的热电性能尚无公开报道.本工作合成了单相Ag_2S化合物,系统研究了其在300—600 K范围的物相变化、离子迁移特性和电热输运性质.研究发现, Ag_2S在300—600 K温度区间表现出半导体的电输运性质.由于单斜-体心立方相晶体结构转变, Ag_2S的离子电导率、载流子浓度、迁移率、电导率、泽贝克系数等性质在455 K前后出现急剧变化.在550 K, Ag_2S的功率因子最高可达5μW·cm~(–1)·K~(–2). Ag_2S在300—600 K温度区间均表现出本征的低晶格热导率(低于0.6 W·m~(–1)·K~(–1)). S亚晶格中随机分布的类液态Ag离子是导致b-Ag_2S体心立方相具有低晶格热导率的主要原因.在573 K, Ag_2S的热电优值可达0.55,与Ag_2Se, Ag_2Te, CuAgSe等已报道的Ag基快离子导体热电材料的性能相当.     

基于聚(4-乙烯基苯酚)衬底修饰层喷墨打印的小分子有机半导体薄膜制备和表征

采用旋涂法预先在SiO₂衬底表面形成一层聚（4-乙烯基苯酚）（PVP）作为表面修饰层,以喷墨打印的6,13-双（三异丙基甲硅烷基乙炔基）并五苯（TIPS并五苯）作为有源层制作有机薄膜晶体管,有效改善了有机半导体薄膜的形貌。采用真空热蒸镀工艺制备源漏电极,形成底栅顶接触结构的有机薄膜晶体管（OTFT）器件。作为对比,在未经过表面修饰的SiO₂衬底上采用相同条件打印TIPS并五苯薄膜晶体管,发现在经过PVP修饰的SiO₂衬底上打印的单点厚度更均匀,咖啡环效应被抑制或被消除;而通过多点交叠打印形成的矩形薄膜的晶粒尺寸更大,相应的OTFT器件具有更高的场效应迁移率。在有PVP修饰层的衬底上制作的OTFT,器件在饱和区的平均场效应迁移率达到了0.065 cm²·V^-1·s^-1;而直接在SiO₂衬底上制作的器件,相应的平均场效应迁移率仅为0.02 cm²·V^-1·s^-1。     

沟道层厚度对室温制备的In2O3薄膜晶体管器件性能的影响

在室温下采用直流磁控溅射以SiO₂/Si为衬底制备了不同沟道层厚度的底栅式In₂O₃薄膜晶体管,讨论了沟道层厚度对底栅In₂O₃薄膜晶体管的电学性能的影响。实验结果表明:器件的特性与沟道层厚度有关,最优沟道层厚度的In₂O₃薄膜晶体管为增强型,其阈值电压为2.5 V,开关电流比约为10⁶,场效应迁移率为6.2 cm²·V^-1·s^-1。