具有可调电学和光学性质的双层和三层Janus Ga_(2)SSe

将二维(2D)层状材料的单层堆叠成双层或者少数层,可以很好的调节其光电性质,为该领域发展提供了新的机遇.本文采用第一性原理方法系统地研究了堆叠层数和堆叠次序对双层和三层Janus Ga_(2)SSe的电学和光学性质的影响.我们发现这些结构的层间距差别很大,而结合能差异却很小.尽管所有的双层和三层Janus Ga_(2)SSe具有间接带隙,然而其带隙值和载流子有效质量与堆叠层数和堆叠次序密切相关.此外,在Janus Ga_(2)SSe中,通过增加层数,可以增强其在可见光和紫外区域的吸收系数.同时,通过控制层间堆叠模式,进一步调制其吸收系数,导致在可见光和近紫外区域产生多个吸收峰.我们的结果为双层和三层Janus III族单硫化合物的可调节电学和光学性质提供了有价值的见解,这表明其可能在纳米电子和光电子器件中有着广阔的应用前景.     

过渡金属 X（ X=Cr、Mn、Fe、Tc、Re ）掺杂Janus Ga2SSe 的第一性原理研究

利用密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,研究过渡金属X(X=Cr、Mn、Fe、Tc、Re)原子掺杂Janus Ga₂SSe的磁性、电子性质及光学性质.研究表明：过渡金属掺杂Janus Ga₂SSe体系在Chalcogen-rich条件下有着比Ga-rich条件下更好的稳定性.其中Mn掺杂体系形成能在两种条件下皆为最低.本征Ga₂SSe是具有2.02 eV带隙的间接带隙半导体,在紫外区域有着很好的光伏吸收能力.与本征Ga₂SSe相比,Cr掺杂体系自旋向上通道出现杂质能级,自旋向上与向下通道不对称,呈磁矩为2.797μ_B铁磁性半金属. Mn掺杂体系在其自旋向上通道产生的杂质能级,呈磁矩为3.645μ_B的磁性P型半导体. Fe掺杂体系自旋向下通道产生的杂质能级,呈磁矩为3.748μ_B磁性P型半导体.在Tc与Re掺杂后,带隙皆由间接变直接带隙,呈无磁性的P型半导体.从光学性质来看,各掺杂体系与未掺杂Ga₂SSe在介电...     

应变和电场对Ga2SeTe/In2Se3异质结电子结构和光学性质的影响

异质结构的构筑与堆垛是新型二维材料物性调控及应用的有效策略.基于密度泛函理论的第一性原理计算,本文研究了4种不同堆叠构型的新型二维Janus Ga₂SeTe/In₂Se₃范德瓦耳斯异质结的电子结构和光学性质. 4种异质结构型均为Ⅱ型能带结构的间接带隙半导体,光致电子的供体和受体材料由二维In₂Se₃的极化方向决定.光吸收度在可见光区域高达25%,有利于太阳可见光的有效利用.双轴应变可诱导直接-间接带隙转变,外加电场能有效调控异质结构带隙,使AA2叠加构型的带隙从0.195 eV单调增大到0.714 eV,AB2叠加构型的带隙从0.859 eV单调减小到0.058 eV,两种调控作用下异质结的能带始终保持Ⅱ型结构.压缩应变作用下的异质结在波长较短的可见光区域表现出更优异的光吸收能力.这些研究结果揭示了Janus Ga₂SeTe/In₂Se₃范德瓦耳斯异质结电子结构的调控机理,为新型光电器件的设计提供理论指导.     

过渡金属(Ni)掺杂ZnV2O4的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论下的MS软件模拟了过渡金属Ni掺杂ZnV₂O₄前后的能带结构、态密度以及光学性质.结果表明：ZnV₂O₄具有间接的光学跃迁且能带间隙为0.355 eV,Ni掺杂后能带间隙增加为0.785 eV,且带隙类型不变,引入的Ni-3d轨道电子对ZnV₂O₄的价带和导带组成提供了较大贡献.光学性质结果表明ZnV₂O₄为一种低介电材料,在可见光区的吸收系数和折射率较低,主要表现为紫外吸收.掺杂Ni后,在可见光区的吸收特性和光电导率均增大,有效改善了ZnV₂O₄在可见光区的光电性能.     

新型二维拉胀材料SiGeS的理论预测及其光电性质

二维材料由于其在力学、电学以及光学等领域的潜在应用而受到广泛关注.基于第一性原理计算,通过有序地排列SiH3SGeH3的Si-S-Ge骨架,设计了一种全新的二维材料SiGeS.单层SiGeS具有良好的能量、动力学以及热力学稳定性. SiGeS具有非常罕见的负泊松比.此外,单层SiGeS是间接带隙半导体,其带隙值为1.95 eV.在应变的作用下, SiGeS可转变为带隙范围为1.32—1.58 eV的直接带隙半导体,可被应用在光学或半导体领域.同时,本征SiGeS拥有优异光吸收能力,其最高光吸收系数可达约10~5 cm^–1,吸收范围主要在可见光到紫外波段.在应变下,光吸收范围可覆盖到整个红外波段.这些有趣的性质使得SiGeS成为一种多功能材料,有望被用于纳米电子、纳米力学以及纳米光学等领域.     

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...     

单层CrI3电荷输运性质和光学性质应变调控的第一性原理研究

通过应变调控二维材料的电学性质和光学性质是设计新型二维电子和光电子器件的重要环节,也是后摩尔时代薄膜器件设计中的关键技术.薄膜CrI₃具有铁磁和层间反铁磁的独特性质,但是关于应变调制其电学性质和光学性质的研究未见报道.本文采用高精度杂化密度泛函理论研究了面内单双轴应变对单层CrI₃载流子迁移率和介电函数的调控规律,研究结果与已有的实验和理论值符合较好.计算发现:单层CrI₃载流子迁移率非常小,均在10 cm²·V^-1·s^-1以内;与拉伸应变相比,双轴压缩应变可以显著提升迁移率;当双轴压缩应变量增至8%时,沿锯齿方向电子迁移率增至174 cm²·V^-1·s^-1,达到了MoS₂水平.可见光区介电函数虚部x (y)方向Ⅰ号吸收峰强度随双轴拉伸应变量增加明显增强,而z方向几乎没有变化;可见光区x (y)和z方向的介电函数虚部曲线开始攀升的起点对应的光子能量均随双轴压缩应变量增加...     

单层MoSe2单晶的光学及电学性能探究

采用Au箔作为生长衬底,通过化学气相沉积法制备了高质量的单层MoSe₂单晶.通过光学显微镜、扫描电子显微镜、扫描透射电子显微镜等对其形貌和结构进行了表征,研究了单层MoSe₂单晶的光学及电学特性.结果表明：单层MoSe₂具有非线性光学特性,并具有直接带隙结构(带隙宽度约为1.56 eV)及较好的光致发光特性.当其作为场效应晶体管器件的半导体沟道材料时,器件的载流子迁移率为1.6 cm²/(V·s),开关比约为10⁴.     

层数调控磷烯能带与光学性质的研究

近年来,黑磷作为兼具石墨烯和过渡金属硫化物之长的新型二维材料而倍受关注.本文基于密度泛函理论,研究了不同厚度黑磷的电子结构与光学性质.结果表明,黑磷的性质与其厚度密切相关,可通过厚度调整实现能带与光学性质的可调控性.层间相互作用导致费米能级附近价带和导带的劈裂,是造成黑磷带隙随层数减小的根本原因.黒磷的静态折射率和静态反射率的大小均随层数的增大有增大的趋势,并且各层黑磷的反射峰均位于紫外光波段.黑磷对光的吸收涵盖了可见光到紫外光区域,对光的损失范围小于4eV.本文基于能带图和分波态密度图,从电子跃迁的角度分析了黑磷各项光学性质的变化情况,旨在为黑磷的带隙及光学性质层数可调控性提供理论依据.     

Ga30Sb70/Sb80Te20纳米复合多层薄膜的相变特性研究

采用磁控二靶(Ga₃₀Sb₇₀和Sb₈₀Te₂₀)交替溅射方法制备了新型Ga₃₀Sb₇₀/Sb₈₀Te₂₀纳米复合多层薄膜, 对多层薄膜周期中Ga₃₀Sb₇₀层厚度对相变特性的影响进行了研究. 结果表明, 多层薄膜的结晶温度可以通过周期中Ga₃₀Sb₇₀层厚度进行调节, 且随着Ga₃₀Sb₇₀层厚度的增加而升高. Ga₃₀Sb₇₀/Sb₈₀Te₂₀纳米复合多层薄膜的光学带隙随Ga₃₀Sb₇₀层厚度的增加而增大. 采用皮秒激光脉冲抽运光探测技术研究了多层薄膜的瞬态结晶动力学过程, 利用不同能量密度的皮秒激光脉冲可以实现Ga₃₀Sb₇₀/Sb₈₀Te₂₀多层薄膜非晶态和晶态的可逆转变.     

Quantum transport in double-gated graphene devices

Double-gated graphene devices provide an important platform for understanding electrical and optical properties of graphene. Here we present transport measurements of single layer, bilayer and trilayer graphene devices with suspended top gates. In zero magnetic fields, we observe formation of pnp junctions with tunable polarity and charge densities, as well as a tunable band gap in bilayer graphene and a tunable band overlap in trilayer graphene. In high magnetic fields, the devices’ conductance are quantized at integer and fractional values of conductance quantum, and the data are in good agreement with a model based on edge state equilibration at pn interfaces.     

Efficient band structure engineering and visible-light response in ZrS2/GaS heterobilayer by electrical field or external strains

Via first-principle methods, the electronic structures and optical properties of 2D ZrS₂/GaS van der Waals heterostructure (vdWH) are studied. It is found that the band alignment changes from type-II to type-I under negative electrical field, and compressive strains. The transition points are -0.2 V/Å and -1%, respectively. The band gap changes efficiently under positive electrical field and compressive strains. The tensile strains increase the optical adsorption coefficients in ultraviolet regions, while the compressive strains increase the optical adsorption coefficients in visible region significantly.     

Infrared absorption spectra of few-layer graphenes studied by first principles calculations

The infrared (IR) absorption spectra of the undoped, the hole- and electron-doped few-layer graphene (FLG) with layer number of N=1,2,3 have been calculated using the density functional theory in the local density approximation. It is found that in contrast with the featureless optical spectrum of the undoped monolayer graphene, the undoped AB-stacking bilayer and trilayer graphenes exhibit interesting rich IR spectra, e.g., the peaks and jumps in their IR spectra, which are caused by the coupling between different layers. And clear characteristic peaks, lying at different energies, exist in the IR spectra of the hole- or electron-doped bilayer and trilayer graphenes due to the asymmetrical band structures. Beside, based upon their different IR spectra, a powerful experimental tool has been proposed to identify accurately the layer number and doping type of the FLGs.     

Ce、Ga、La掺杂二维SnO2电子结构及光电性质的第一性原理研究

二维材料具有优异的光学、力学、热学、磁学等性质,成为研究的热点之一. SnO₂薄膜中的电子迁移率非常高,兼具透明和良好的导电性能,是一种性能绝佳的半导体材料.本文用密度泛函理论框架下的第一性原理研究了二维SnO₂及其掺杂体系的电子结构、电子态密度、导电性能及光学性质,计算结果表明：相比较于三维SnO₂,二维SnO₂的费米能级附近产生很多杂质能级,提高了载流子浓度,带隙明显变窄,电子的局域性增强,导带中电子的有效质量增加了,电子跃迁更容易发生,增加了材料的导电性能;二维SnO₂比三维SnO₂材料的电极化能力强,在红外区、可见光区、紫外区域的光子吸收性能更优异,光电导率更高,更有利于光生电子-空穴对的分离和迁移,即可以有效地提高其光电转换效率,其中掺杂La元素能更好地提高在红外区、可见光区及紫外区吸收光子的能力,更有利于光电转换的效率,提高导电性.     

Co和Mn共掺杂ZnO电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的总体能量平面波超软赝势方法,结合广义梯度近似,对未掺杂ZnO与Co和Mn共掺杂ZnO的32原子超原胞体系进行了几何结构优化,计算了纤锌矿结构ZnO与Co和Mn共掺杂ZnO的能带结构、电子态密度和光学性质,并进行了详细的分析.计算结果表明,相对于未掺杂ZnO,Co和Mn共掺杂ZnO的禁带宽度有所减小,对紫外-可见光的吸收能力明显增强. 关键词： ZnO 第一性原理 电子结构 光学性质     

3d过渡金属掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法研究了纯锐钛矿相TiO₂及掺杂3d过渡金属TiO₂的几何、电子结构及光学性质. 计算结果表明掺杂能级的形成主要是掺杂过渡金属3d轨道的贡献，掺杂能级在禁带中的位置是决定TiO₂吸收带边能否出现红移的重要因素. Cr，Mn，Fe，Ni，Co，Cu掺杂使TiO₂的吸收带边产生红移，并在可见光区有一定的吸收系数； Sc，Zn掺杂使TiO₂的吸收带边产生蓝移，但在可见光区有较大的吸收系数；掺V不但使TiO₂的吸收带边产生红移，增强了在紫外光区的光吸收，而且在可见光区有非常大的吸收系数.     

Photo and thermally induced properties change in Bi/Ag/Se trilayer thin film

In this article, we have demonstrated the optical and structural properties change in Bi/Ag/Se trilayer thin films by the influence of thermal and photon energy. The trilayer films prepared by thermal evaporation technique were annealed and laser irradiated at room temperature. The X-ray diffraction study revealed the Ag₂Se phase formation and the surface morphology change is being studied by Field emission scanning electron microscopy. The optical properties of the studied films were characterized by using FTIR spectrophotometer in the wavelength range 400–1200?nm. The reduction of optical band gap by both thermal and laser irradiation is being discussed on the basis of chemical disorderness, defect states and density of localized states in the mobility gap. The Raman shift due to annealing and irradiation supports the changes in the film. The large change in optical band gap in thermal annealing is useful for memory device and waveguide fabrication.     

Theoretical investigation of structural and optical properties of semi-fluorinated bilayer graphene

We have studied the structural and optical properties of semi-fluorinated bilayer graphene using density functional theory. When the interlayer distance is 1.62 , the two graphene layers in AA stacking can form strong chemical bonds.Under an in-plane stress of 6.8 GPa, this semi-fluorinated bilayer graphene becomes the energy minimum. Our calculations indicate that the semi-fluorinated bilayer graphene with the AA stacking sequence and rectangular fluorinated configuration is a nonmagnetic semiconductor(direct gap of 3.46 e V). The electronic behavior at the vicinity of the Fermi level is mainly contributed by the p electrons of carbon atoms forming C=C double bonds. We compare the optical properties of the semifluorinated bilayer graphene with those of bilayer graphene stacked in the AA sequence and find that the semi-fluorinated bilayer graphene is anisotropic for the polarization vector on the basal plane of graphene and a red shift occurs in the [010]polarization, which makes the peak at the low-frequency region located within visible light. This investigation is useful to design polarization-dependence optoelectronic devices.