非对称氧掺杂对石墨烯/二硒化钼异质结肖特基势垒的调控

在纳米逻辑器件中,制造低的肖特基势垒仍然是一个巨大的挑战.本文采用密度泛函理论研究了非对称氧掺杂对石墨烯/二硒化钼异质结的结构稳定性和电学性质的影响.结果表明石墨烯与二硒化钼形成了稳定的范德瓦耳斯异质结,同时保留了各自的电学特性,并且形成了0.558 eV的n型肖特基势垒.此外,能带和态密度数据表明非对称氧掺杂可以调控石墨烯/二硒化钼异质结的肖特基接触类型和势垒高度.当氧掺杂在界面内和界面外时,随着掺杂浓度的增大,肖特基势垒高度都逐渐降低.特别地,当氧掺杂在界面外时, n型肖特基势垒高度可以降低到0.112 eV,提高了电子的注入效率.当氧掺杂在界面内时, n型肖特基接触转变为欧姆接触.平面平均电荷密度差分显示随着掺杂浓度的增大,界面电荷转移数量逐渐增多,导致费米能级向二硒化钼导带底移动,证实了随着氧掺杂浓度增大肖特基势垒逐渐降低,并由n型肖特基向欧姆接触的转变.研究结果将对基于石墨烯的范德瓦耳斯异质结肖特基势垒调控提供理论指导.     

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.     

二维Janus结构的PdSSe/石墨烯接触特性的第一性原理探究

Janus结构由于其两侧的原子不同,存在一个内建电场.在本工作中,将具有Janus结构的六角PdSSe与石墨烯复合,构成范德瓦尔斯异质结构.通过基于密度泛函理论的第一性原理计算对其几何结构和电子结构进行了研究.计算中考虑了两种堆叠方式,即Se侧与石墨烯接触和S侧与石墨烯接触.当S侧与石墨烯接触时,体系具有更小的平衡间距和更大的电荷转移,结合能更低. S侧与石墨烯接触时形成了为n型欧姆接触;Se侧与石墨烯接触时形成了势垒极低的n型肖特基接触.最后,讨论了垂直应变对接触特性的影响.通过施加垂直应变,PdSSe/石墨烯的接触类型具有显著的可调性.     

GaN/VSe2范德瓦耳斯异质结电接触特性及调控效应

降低金属-半导体界面的肖特基势垒并实现欧姆接触对于研发高性能肖特基场效应管非常重要.鉴于实验上已成功制备GaN及1T-VSe₂单层,本文理论构建GaN/1T-VSe₂异质结模型,并利用基于密度泛函理论的第一性原理研究了其稳定性、肖特基势垒特性及其调控效应.计算的形成焓及淬火分子动力学模拟表明构建的异质结是稳定的.研究表明:本征异质结为p型肖特基接触,同时发现施加拉伸或压缩应变,异质结始终保持p型肖特基接触不变,没有出现欧姆接触.而施加外电场则不同,具有明显的调控效应,较高的正向电场能使异质结从肖特基接触转变为欧姆接触,较高的反向电场能导致p型肖特基接触转变为n型肖特基接触.特别是实施化学掺杂,异质结较容易实现由肖特基接触到欧姆接触的转变,例如引入B原子能使GaN/1T-VSe₂异质结实现典型的欧姆接触,而C和F原子掺杂,能使GaN/1T-VSe₂异质结实现准欧姆接触.这些研究对该异质结的实际应用提供了理论参考,特别是对于研发新型高性能纳米场效应管具有重要意义.     

肖特基势垒对铁磁/有机半导体结构自旋注入性质的影响

理论研究了铁磁/有机半导体肖特基接触时的电流自旋极化注入,并讨论了电流自旋极化率随界面处肖特基势垒高度、有机半导体层中特殊载流子及其迁移率、界面附近掺杂浓度的变化关系.通过计算发现,寻找在势垒区中载流子迁移率比较大的有机半导体材料对实现有效的自旋注入是必要的;同时还发现,由于铁磁/有机半导体接触而形成的肖特基势垒不利于自旋注入.因此要想实现有效的自旋注入,界面附近必须采用重掺杂来有效减少势垒区的宽度,且势垒的高度要限制在一定的范围内.     

外电场和双轴应变对MoSH/WSi2N4肖特基结势垒的调控

鉴于实验上最新合成的二维半导体材料WSi₂N₄(WSN)和二维金属材料MoSH(MSH),构建了金属-半导体MSH/WSN肖特基结.在实际的金属-半导体接触应用中,肖特基势垒的存在严重降低了器件的性能.因此,获得较小的肖特基势垒甚至是欧姆接触至关重要.本文使用第一性原理计算研究了在外电场和双轴应变作用下MSH/WSN肖特基结势垒的变化.计算结果表明,外电场和双轴应变均可以有效地调控MSH/WSN肖特基结势垒.正向外电场能实现MSH/WSN肖特基结p型与n型肖特基接触之间的动态转化,而负向外电场可实现MSH/WSN肖特基结向欧姆接触的转化.此外,较大的双轴应变可实现MSH/WSN肖特基结p型与n型肖特基接触的相互转化.此项工作为基于WSN半导体的肖特基功能器件及场效应晶体管提供理论指导.     

掺杂GaN/AlN超晶格第一性原理计算研究

第一性原理计算方法在解释实验现象和预测新材料结构及其性质上有着重要作用. 因此, 通过基于密度泛函理论的第一性原理的方法, 本文系统地研究了Mg和Si掺杂闪锌矿和纤锌矿两种晶体结构的GaN/AlN超晶格体系中的能量稳定性以及电学性质. 结果表明: 在势阱层(GaN 层)中, 掺杂原子在体系中的掺杂形成能不随掺杂位置的变化而发生变化, 在势垒层(AlN层)中也是类似的情况, 这表明对于掺杂原子来说, 替代势垒层(或势阱层)中的任意阳离子都是等同的; 然而, 相比势阱层和势垒层的掺杂形成能却有很大的不同, 并且势阱层的掺杂形成能远低于势垒层的掺杂形成能, 即掺杂元素(Mg_Ga, Mg_Al, Si_Ga和Si_Al)在势阱区域的形成能更低, 这表明杂质原子更易掺杂于结构的势阱层中. 此外, 闪锌矿更低的形成能表明: 闪锌矿结构的超晶格体系比纤锌矿结构的超晶格体系更易于实现掺杂; 其中, 闪锌矿结构中, 负的形成能表明: 当Mg原子掺入闪锌矿结构的势阱层中会自发引起缺陷. 由此, 制备以闪锌矿结构超晶格体系为基底的p型半导体超晶格比制备n型半导体超晶格需要的能量更低并且更为容易制备. 对于纤锌矿体系来说, 制备p型和n型半导体的难易程度基本相同. 电子态密度对掺杂体系的稳定性和电学性质进一步分析发现, 掺杂均使得体系的带隙减小, 掺杂前后仍然为第一类半导体. 综上所述, 本文内容为当前实验中关于纤锌矿结构难以实现p型掺杂问题提供了一种新的技术思路, 即可通过调控相结构实现其p型掺杂.     

电场对graphene/InSe范德瓦耳斯异质结肖特基势垒的调控

半导体与金属接触是制作纳电子和光电子器件时非常重要的问题,接触类型对器件的功能实现和性能影响很大.为了制备高性能多功能化器件,就必须对界面处的势垒高度和接触类型进行调控.采用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了外电场作用下graphene/In Se范德瓦耳斯异质结的电子结构.计算结果表明异质结中的graphene和In Se保留了各自的本征电子性质,在界面处形成了欧姆接触.外电场可以有效调控graphene/In Se异质结中的肖特基势垒,不但可以调控肖特基势垒的高度,而且可以调控界面接触类型.外电场还可以有效调控graphene和In Se界面电荷转移的数量和方向.     

石墨烯过渡层对金属/SiC接触肖特基势垒调控的第一性原理研究

由于SiC禁带宽度大,在金属/SiC接触界面难以形成较低的势垒,制备良好的欧姆接触是目前SiC器件研制中的关键技术难题,因此,研究如何降低金属/SiC接触界面的肖特基势垒高度(SBH)非常重要.本文基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,结合平均静电势和局域态密度计算方法,研究了石墨烯作为过渡层对不同金属(Ag,Ti,Cu,Pd,Ni,Pt)/SiC接触的SBH的影响.计算结果表明,单层石墨烯可使金属/SiC接触的SBH降低;当石墨烯为2层时,SBH进一步降低且Ni,Ti接触体系的SBH呈现负值,说明接触界面形成了良好的欧姆接触;当石墨烯层数继续增加,SBH不再有明显变化.通过分析接触界面的差分电荷密度以及局域态密度,SBH降低的机理可能主要是石墨烯C原子饱和了SiC表面的悬挂键并降低了金属诱生能隙态对界面的影响,并且接触界面的石墨烯及其与金属相互作用形成的混合相具有较低的功函数.此外,SiC/石墨烯界面形成的电偶极层也可能有助于势垒降低.     

石墨烯过渡层对金属/SiC接触肖特基势垒调控的第一性原理研究

由于SiC禁带宽度大,在金属/SiC接触界面难以形成较低的势垒,制备良好的欧姆接触是目前SiC器件研制中的关键技术难题,因此,研究如何降低金属/SiC接触界面的肖特基势垒高度(SBH)非常重要.本文基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,结合平均静电势和局域态密度计算方法,研究了石墨烯作为过渡层对不同金属(Ag,Ti,Cu,Pd,Ni,Pt)/SiC接触的SBH的影响.计算结果表明,单层石墨烯可使金属/SiC接触的SBH降低;当石墨烯为2层时,SBH进一步降低且Ni,Ti接触体系的SBH呈现负值,说明接触界面形成了良好的欧姆接触;当石墨烯层数继续增加,SBH不再有明显变化.通过分析接触界面的差分电荷密度以及局域态密度,SBH降低的机理可能主要是石墨烯C原子饱和了SiC表面的悬挂键并降低了金属诱生能隙态对界面的影响,并且接触界面的石墨烯及其与金属相互作用形成的混合相具有较低的功函数.此外,SiC/石墨烯界面形成的电偶极层也可能有助于势垒降低.     

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.     

基于第一性原理的锂空气电池钌掺杂石墨烯正极 氧还原反应机理研究

双电解液锂空气电池因其高理论能量密度受到广泛研究,但电池正极侧氧还原反应(ORR)速率低,其反应速率是限制锂空气电池发展的主要因素之一.本文提出了以钌(Ru)掺杂单层石墨烯作为正极ORR催化剂,采用第一性原理计算nRu (n=1～3)掺杂石墨烯的电子结构和氧气在Ru掺杂石墨烯表面的吸附性能,并以过渡态搜索方法获得ORR反应路径,研究碱性溶液中Ru掺杂单层石墨烯作用下的ORR机理.研究结果表明,经Ru原子掺杂后,石墨烯能够获得稳定的掺杂结构,且电导率显著提升.同原始单层石墨烯相比,Ru掺杂石墨烯增强了对O₂的吸附能力.在三Ru(n=3)掺杂石墨烯表面进行的ORR无需克服任何能垒.此外,三Ru掺杂石墨烯表面对OH基团的吸附能最低,有利于ORR的连续进行.研究表明三Ru掺杂石墨烯有望成为一种新型的ORR催化剂以提高双电解液锂空气电池的性能.     

B/N掺杂对双层石墨烯电子特性影响的第一性原理研究

利用平面波超软赝势方法研究了B/N原子单掺杂和共掺杂对双层石墨烯电子特性的影响.对掺杂双层石墨烯进行结构优化,并计算了能带结构、态密度、分波态密度等.分析表明,层间范德瓦尔斯相互作用对双层石墨烯的电子特性有比较明显的影响;B/N原子单掺杂分别对应p型和n型掺杂,会使掺杂片层的能带平移,使得体系能带结构产生较大分裂;双层掺杂的石墨烯能带结构与掺杂原子的相对位置和距离有关,对电子特性有明显的调控作用.其中特别有意义的是,B/N双层共掺杂在不同位置情况下会得到金属性或禁带宽度约为0.3 eV的半导体能带.     

镍层间掺杂多层石墨烯的电子结构及光吸收特性研究

采用密度泛函理论计算分析镍原子层间掺杂对多层石墨烯电子结构和光吸收性能的影响.计算结果表明,掺杂镍原子后的石墨烯电子结构发生了改变,双层和三层石墨烯的带隙均可打开,最大带隙为0.604 eV;镍原子掺杂后的石墨烯d轨道电子的态密度在费米能级处产生尖峰效应,体系等离子能量增强;介电常数虚部和消光系数均增大,吸光性能提高.相关工作对深入探讨石墨烯的光学特性具有重要参考价值.     

Graphene/Ag2ZnSnSe4诱导p-n结薄膜太阳电池数值模拟

银锌锡硒(Ag2ZnSnSe4)是一种禁带宽度为1.4 eV的n型半导体材料.本文提出一种由n型Ag2ZnSnSe4与石墨烯(Graphene)组成的Graphene/Ag2ZnSnSe4诱导p-n结薄膜太阳电池,并借助wxAMPS软件对电池的物理机理和性能影响因素进行模拟研究.模拟结果表明,高功函数的石墨烯与n型Ag2ZnSnSe4半导体接触时,Ag2ZnSnSe4吸收层的前端能带向上弯曲,在n型Ag2ZnSnSe4吸收层表面诱导形成p型Ag2ZnSnSe4反型层,p型Ag2ZnSnSe4和n型Ag2ZnSnSe4组成p-n同质结.模拟发现石墨烯和背接触的功函数会影响载流子的分离、输运和收集,严重影响器件性能,石墨烯功函数达到5.5 eV,背接触功函数不高于4.4 eV,都有利于提高器件性能.Ag2ZnSnSe4吸收层的掺杂浓度主要影响器件的短路电流,而Ag2ZnSnSe4吸收层的体内缺陷对器件整体性能产生影响.在石墨烯和背接触功函数分别为5.5和3.8 eV,Ag2ZnSnSe4吸收层的掺杂浓度和缺陷密度分别为1016和1014 cm–3时,Graphene/Ag2ZnSnSe4诱导p-n结薄膜太阳电池能够取得高达23.42%的效率.这些模拟结果为设计新型高效低成本太阳电池提供了思路和物理阐释.     

表面活性剂和n型载流子对钴掺杂氧化锌薄膜铁磁性的双重调控

本文提出了一种利用表面活性剂钝化和电子载流子掺杂来调制钴掺杂氧化锌稀磁半导体薄膜固有铁磁性的"双重操纵效应"新方法.第一性原理计算表明,氢表面钝化作为薄膜表面Co-O-Co磁耦合的磁开关,可以控制掺杂钴原子的自旋极化.同时,电子载流子掺杂可以进一步用作类层状铁磁性媒介来调节薄膜内部原子层的铁磁性.该双重操纵效应揭示了n型钴掺杂氧化锌稀磁半导体薄膜的本质铁磁性来源,并且还有可能用作其他n型稀磁半导体氧化物薄膜增强铁磁性的替代策略.     

表面活性剂和n型载流子对钴掺杂氧化锌薄膜铁磁性的双重调控（英文）

本文提出了一种利用表面活性剂钝化和电子载流子掺杂来调制钴掺杂氧化锌稀磁半导体薄膜固有铁磁性的"双重操纵效应"新方法.第一性原理计算表明,氢表面钝化作为薄膜表面Co-O-Co磁耦合的磁开关,可以控制掺杂钴原子的自旋极化.同时,电子载流子掺杂可以进一步用作类层状铁磁性媒介来调节薄膜内部原子层的铁磁性.该双重操纵效应揭示了n型钴掺杂氧化锌稀磁半导体薄膜的本质铁磁性来源,并且还有可能用作其他n型稀磁半导体氧化物薄膜增强铁磁性的替代策略.     

氮掺杂双层石墨烯吸附钠的第一性原理研究

采用密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法,对Na在本征双层石墨烯(PBLG)和不同掺杂浓度的N掺杂石墨烯(NBLG)表面的吸附性质进行了研究.确定了不同N掺杂浓度时NBLG的最稳定N分布结构,计算了Na在PBLG和不同掺杂浓度的NBLG表面的吸附能.计算结果表明,N原子掺杂倾向于取代对位或次临近位置的C原子,并与下层C原子相对;随着N掺杂浓度的增加,吸附高度逐渐增加,且与掺杂N原子分布相匹配; Na在PBLG表面吸附使平均层间距增加,而在NBLG表面吸附使之减小; Na与C_(27)N_9表面的结合最稳定.     

金掺杂锯齿型石墨烯纳米带的电磁学特性研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了金原子填充锯齿型石墨烯纳米带 (ZGNRs)中双空位结构的电磁学特性. 计算结果表明: 边缘位置是金原子的最稳定掺杂位置, 杂质原子的引入导致掺杂边缘的磁性被抑制, 不过掺杂率足够大时, 掺杂边缘的磁性反而恢复了. 金掺杂纳米带的能带结构对掺杂率敏感: 随着掺杂率的增大, 掺杂纳米带分别表现半导体特性、半金属特性以及金属特性. 本文的计算表明金原子掺杂可以调制ZGNR的磁性以及能带特性, 为后续实验起指导作用, 有利于推动石墨烯材料在自旋电子学方面的应用.     

表面化学处理和退火对p-GaN/ZnO:Ga接触特性的影响

ZnO∶Ga(GZO)透明电极沉积在p-GaN表面,用作透明电流扩展层。直接沉积在p-GaN上的p-GaN/GZO存在较大的势垒,容易形成肖特基接触,而良好的欧姆接触对功率LED器件至关重要。为了降低接触势垒,采用盐酸和氢氧化钠溶液对GaN表面进行去氧化层处理,并对p-GaN/GZO进行退火处理,研究表面处理和退火对p-GaN/GZO接触特性的影响。研究表明:碱性溶液处理有利于降低接触势垒;退火处理后,接触势垒略有增加。