层状graphene/WSSe范德瓦耳斯异质结电子特性和界面接触的理论研究

利用第一性原理计算方法研究了层间距和外部电场对graphene/WSSe范德瓦耳斯异质结的电子特性和界面接触的影响规律。由于范德瓦耳斯力作用,graphene和WSSe单层的电子特性可以被保留在graphene/WSSe异质结中。当形成graphene/WSSe异质结时,在石墨烯的狄拉克锥中可以发现小的带隙值(7 meV)。电荷转移产生的内建电场在有效阻碍光激发载流子复合中起着关键作用。与两个独立单层相比,graphene/WSSe异质结在可见光区域具有增强的光吸收,在光电子器件中展现出了潜在应用价值。此外,graphene/WSSe异质结在平衡层间距处显示出n型肖特基接触特性。层间距和外部电场都可以用来改变graphene/WSSe异质结的肖特基势垒高度和接触类型,并有效调节graphene狄拉克锥的位置。本文研究内容为graphene/WSSe异质结在纳米电子和光电子器件领域的应用提供理论依据。     

GeS/MoS2异质结电子结构及光学性能的第一性原理研究

以MoS₂、GeS为代表的二维层状材料在光学、电学等方面表现出优异的物理性能。如何将两者的优良性能结合,同时获得具有新的协同功能的复合材料对电子器件的发展和应用具有重要意义。本文采用密度泛函理论的第一性原理计算方法,对GeS/MoS₂异质结的电子结构及光学性质进行了系统研究,并探索了界面间距、应变和电场对异质结电子结构和光学性能的影响。研究结果表明,GeS/MoS₂异质结是Ⅱ型能带排列,该能带排列有利于光生电子-空穴对的分离。进一步研究发现,通过应变和电场等手段可以实现对GeS/MoS₂异质结能带排列及光吸收系数的有效调控。该研究结果表明GeS/MoS₂异质结在光催化、光电器件等领域具有潜在的应用,为设计与制备GeS/MoS₂相关的光电器件提供了理论指导。     

二维Janus型铬硫化物电子和压电性质研究

本文主要研究了二维Janus型铬硫化物[Janus CrXY (X/Y=S, Se, Te)]的电子、压电性质。结果表明Janus CrXY是优良的半导体材料,其带隙宽度为0.27～0.83 eV,x轴方向的应变调控对带隙影响较大,而z轴方向的应变调控对带隙影响很小,说明该体系电子特性在z轴方向具有良好的稳定性。通过密度泛函微扰法对体系的压电特性进行研究,结果表明,三种材料均具有较大的面外压电系数d₃₃,特别是CrSeTe的d₃₃可达56.89 pm/V,约是常用压电材料AlN(d₃₃=5.60 pm/V)的10倍。本研究可为二维Janus CrXY在柔性智能纳米领域的实际应用提供理论支撑。     

Janus型二维磁电材料CrXX’(X/X’=S,Se,Te)第一性原理研究

自石墨烯被发现以来,各种具有新奇特性的二维材料受到了越来越多的关注。Janus型二维材料具有不对称的表面特性,这种特殊的结构往往具有独特的电学、磁学与光学性质,使其成为近年来材料科学领域研究的热点。本文搭建了Janus型结构CrXX’(X/X’=S,Se,Te)(CrSSe, CrSTe, CrSeTe),研究了体系的电学、磁学、光学性质,并探究了双轴应变对其电学、磁学、光学性质的影响。结果表明,CrSSe、CrSTe与CrSeTe均呈现金属性,都是电子的优良导体,三种体系的电子结构对外加应变具有很好的鲁棒性。CrXX’(X/X’=S,Se,Te)具有本征铁磁性,并且通过施加双轴应变可对其磁矩进行调控。此外,三种体系均具有较高的居里温度,特别是CrSTe的居里温度可达310 K。CrXX’(X/X’=S,Se,Te)还具有优异的可见光与紫外光吸收性能,应变可对其光吸收系数进行调控,并且压应变与拉应变可分别使其吸收谱线向短波与长波方向移动。本文的工作为进一步研究二维Janus单层CrXX’(X/X’=S,Se,Te)在新型室温自旋电子器件领域的应用提供了理论支持。     

N和As掺杂二维GeC光电性质的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论第一性原理,系统研究了单层GeC,N掺杂、As掺杂及N-As共掺杂GeC体系的稳定性、电子结构及光学性质等。结果表明,单层GeC是一种禁带宽度为2.10 eV的直接带隙半导体。与单层GeC相比,掺杂后体系的禁带宽度和功函数均减小,表明体系的电子跃迁所需的能量相对较少。并且,掺杂后体系的光吸收系数均有所提高,同时吸收带边也发生了红移,有效拓宽了体系对光的响应范围,提高了体系对光子的吸收能力。此外,As掺杂GeC体系不仅在费米能级附近出现了杂质能级,而且在低能区的吸收系数、静介电函数及消光系数等光学性质最优。本研究可为GeC光电相关实验制备提供理论基础。     

双轴应变对g-ZnO/WS2异质结电子结构及光学性质影响的第一性原理计算

单层g-ZnO由于吸收光谱宽而受到研究者关注,但载流子复合是单层g-ZnO作为光催化剂无法避免的问题,如何降低电子空穴对复合率,提高单层g-ZnO对可见光利用率成为值得研究的问题,搭建异质结并对其进行双轴应变是一种可行的办法。本文采用第一性原理方法,研究双轴应变对g-ZnO/WS₂异质结电子结构及光学性质的调控规律。结果表明:g-ZnO/WS₂异质结禁带宽度为1.646 eV,由于异质结体系内部产生内置电场,降低了其光生载流子的复合率,同时异质结光吸收带边拓展至可见光区域。对异质结实施应变后,除压缩应变(-2.5%)体系外,其余应变体系吸收带边均出现红移现象,并且红移程度和对电荷的束缚能力均随着应变的增加而增强。相比于未实施应变的体系,应变体系对光生电子载流子的阻碍作用更强,其光催化能力得到更大提高。以上结果说明搭建g-ZnO/WS₂异质结并对其进行双轴应变对异质结的电子结构及光学性质具有显著的调控作用,使其在窄禁带及红外、可见光半导体器件和光催化材料等领域具有应用价值。     

单壁碳纳米管的电子结构与声子谱的第一性原理计算

针对三种结构类型的单壁碳纳米管的电子结构和声子谱,采用基于密度泛函理论的第一性原理以及CASTEP软件进行了理论计算.在完成建模和结构优化的基础上,对扶手椅型(10,10)、锯齿型(6,0)和螺旋型(4,2)单壁碳纳米管的电子能带及电子态密度、声子谱及声子态密度进行了理论计算,并对计算结果进行了理论分析.结果表明:(10,10)及(6,0)单壁碳纳米管无能量禁带,它们属于金属型管;而(4,2)单壁碳纳米管有一宽度为0.85 eV的能量禁带,它属于半导体型管.以上计算结果与用其它判据给出的结论相一致.在以上三种管的声子谱中,它们依次有120条、72条和168条(其中有简并情况)色散曲线,并且它们的声子态密度依次在频率41.88 THz、23.95THz和23.43 THz处出现最大值,即在这些频率附近的格波最多.这一计算结果与物理规律是一致的.     

基于二维材料异质结的光探测器研究进展

二维材料异质结因其特有的层状结构和优异的光响应性质,被认为具有应用于新一代光探测器件的潜力。二维材料家族具有丰富的种类,因其能带带隙范围分布广,光电响应可覆盖从紫外到红外的波谱范围。另外二维材料层间通过范德瓦尔斯力相结合,因此理论上可以利用不同二维材料层间的范德瓦尔斯力相互作用制备出多种性能优异的二维材料异质结。近年来有多种二维材料异质结通过机械堆叠法及CVD生长法被制备出来,且二维材料异质结光探测器在可见光至远红外波段表现出优异的性质。在这样的研究背景之下,本文从二维材料异质结的制备、器件制备与器件性能等几个方面综述了近年来二维材料异质结光探测器的研究进展。     

理论设计ZnTiS3化合物光电性能的第一性原理计算

根据实验上合成LiNbO₃(LN)构型的ZnTiO₃铁电化合物,基于第一性原理的方法设计研究了化合物LN-ZnTiS₃(LN构型)的特性。计算结果表明LN-ZnTiS₃化合物满足力学稳定条件。根据化学势平衡相图分析,LN-ZnTiS₃在常压下不会形成稳定结构,但施加外部压力可以形成稳定结构。电子态密度和带隙的计算结果表明,LN-ZnTiS₃的价带顶(VBM)主要由S-p轨道组成,导带底(CBM)则由Ti-d轨道组成,硫原子的替代可以促进体系费米能级以上的电子状态大幅度下降到较低的能级,从而减小LN-ZnTiS₃的带隙。LN-ZnTiS₃的带隙计算值为1.04 eV,可以促进可见光的吸收,可以看出LN-ZnTiS₃是一种潜在的高效率光伏材料。     

二维MoS2/WSe2异质结的光电性能研究

近年来基于二维半导体过渡金属硫族化合物如MoS₂的光电晶体管被广泛研究。虽然基于单层MoS₂的光电探测器表现出较高的响应度,但是其较低的载流子迁移率也限制了响应时间,约在秒量级。二维半导体的相互堆垛可以形成具有低缺陷态且空间均匀的范德华异质结构,是提高二维光电探测器性能的有效途径。基于此本文通过机械剥离转移法构筑MoS₂/WSe₂垂直pn异质结,其较强的空间电荷区能有效地分离光生载流子,所以在自驱动状态下仍具有较好的光电探测能力,光响应度和探测率分别达到2.12×10³ A/W和2.33×10¹¹ Jones,同时极大地缩短了响应时间,响应时间达到40 ms。这种二维异质结器件制备方法简易,性能优异,在光电子领域具有广阔的应用前景。     

Y掺杂WS2二维材料的第一性原理研究

WS₂由于其优异的物理和光电性质引起了广泛关注。本研究基于第一性原理计算方法,探索了本征单层WS₂及不同浓度W原子替位钇(Y)掺杂WS₂的电子结构和光学特性。结果表明本征单层WS₂为带隙1.814 eV的直接带隙半导体。进行4%浓度(原子数分数)的Y原子掺杂后,带隙减小为1.508 eV,依旧保持着直接带隙的特性,随着Y掺杂浓度的不断增大,掺杂WS₂带隙进一步减小,当浓度达到25%时,能带结构转变为0.658 eV的间接带隙,WS₂表现出磁性。适量浓度的掺杂可以提高材料的导电性能,且掺杂浓度增大时,体系依旧保持着透明性并且在红外光和可见光区对光子的吸收能力、材料的介电性能都有着显著提高。本文为WS₂二维材料相关光电器件的研究提供了理论依据。     

二维CdO的低晶格热导率研究

寻求具有较小晶格热导率k_lat的高热电性能的二维材料具有重要意义。基于从头计算和声子玻耳兹曼输运理论,该研究首先对二维CdO结构进行优化,并通过计算声子谱验证了单层CdO的动力学稳定性。在此基础上详细研究了单层CdO的声子输运性质。计算表明在室温下单层CdO的晶格热导率k_lat约为5.7 W/(m·K),低于单层石墨烯、磷烯、黑磷和MoS₂等二维材料的晶格热导率。其中,Z方向声学模式(Z-direction acoustic, ZA),横声学支(transverse acoustic,TA),纵声学支(longitudinal acoustic, LA),Z方向光学模式(Z-direction optical, ZO),横光学支(transverse optical, TO),纵光学支(longitudinal optical, LO)对k_lat的百分比贡献分别为73.7％、13.9％、3.7％、2.8％、4.7％和1.2％。研究发现,ZA、TA、LA声学支和光学支之间的强散射是导致单层CdO低热导率的原因。本文计算结果可用于指导基于CdO的低维热电器件的设计。     

BiOCl(110)表面电子结构和光学吸收的第一性原理研究

基于密度泛函理论第一性原理研究了BiOCl(110)表面两种不同终止端(ll0)-BiCl和(110)-O电子结构和光吸收性质.结果表明:(110)-BiCl和(110)-O表面均未发生重构现象;(ll0)-BiCl表面导带底部出现明显表面态,导致该表面带隙降低,且价带与导带均朝低能方向移动;而(110)-O表面态位于价带顶,导带能带变窄导致该表面带隙略大于体相BiOCl;(ll0)-BiCl和(110)-O表面能分别为1.570 J· m-2和1.550 J· m-2;光吸收性质对比分析知,与BiOCl体相相比,(ll0)-BiCl表面吸收光谱发生明显红移.     

第一性原理研究二维GaN的电子结构和光学性能

二维GaN是一种性能优良的半导体光电材料,用途广泛.因此,基于密度泛函理论采用广义梯度近似方法系统研究单层、双层和三层二维GaN的电子结构和光学性质,并与三维GaN体材料进行比较.结果表明:随着维数的降低,二维GaN的能带变宽,各能级的能量值起伏变大;不同于三维GaN,二维GaN量子尺寸效应明显,N的2s态和2p态相互作用增强,出现能带重叠,呈现较好的导电特性;分析费米能级发现导带底附近存在明显表面态,这是因为Ga的4s电子态的贡献;随着二维GaN层数的增加,对紫外光的反射特性越来越好,在特定的能量范围内,二维GaN的能量损失为零.由此可知,研究二维GaN的电子结构和光学性质有助于二维GaN在纳米光电器件中的应用.     

立方晶系Ca2Si声子色散和热力学性质的第一性原理计算

采用模守恒贋势和超软贋势两种方法分别计算立方晶系Ca2Si的声子色散关系、声子态密度和热力学特性.运用线性响应方法和有限位移方法确定立方晶系Ca2Si的声子色散关系和声子态密度,得到立方晶系Ca2Si的声子振动模式是各向异性,且立方晶系的Ca2Si是不稳定结构.在声子色散关系确定的基础上分别计算定容热容、焓、熵和自由能随温度的变化关系,得到Cv-T曲线在低温条件下符合德拜第三定律;当T=1000K时,立方晶系Ca2Si的热熔Cr=21J·mol-1 ·K-1;在高温条件下,随着温度的增加Cv→3R.通过分析声子色散、振动关系和热力学特性得到立方晶系Ca2Si的振动系统由声子和电子组成.     

Mo掺杂Mn4Si7的光电性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法,计算了Mn4Si7及Mo掺杂Mn4Si7的电子结构和光学性质.计算结果表明Mn4 Si7的禁带宽度Eg=0.804 eV,Mo掺杂Mn4Si7的禁带宽度Eg=0.636 eV.掺杂使得Mn4 Si7费米面附近的电子结构发生改变,导带底由Γ点转移为Y点向低能方向下偏移,价带顶向高能方向上偏移,带隙变窄.计算还表明Mo掺杂Mn4Si7使介电函数、折射率、吸收系数及光电导率等光学性质增加.     

X/g-C3N4(X=g-C3N4、AlN及GaN)异质结光催化活性的理论研究

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,研究了单层g-C₃N₄以及X/g-C₃N₄(X=g-C₃N₄、AlN及GaN)异质结的稳定性、电子结构、功函数及光学性质。结果表明,X/g-C₃N₄异质结的晶格失配率和晶格失配能极低,说明X/g-C₃N₄具有优异的稳定性。与单层g-C₃N₄相比,X/g-C₃N₄的带隙均减小,态密度的波峰和波谷均大幅提高且出现了红移现象,处于激发态的电子数量增加,使得电子跃迁变得更为容易,表明构建异质结有利于提高体系对可见光的响应能力。此外,X/g-C₃N₄的功函数均减小且在界面处形成了内建电场,有效抑制了光生电子-空穴对的复合,这对载流子的迁移以及光催化能力的提高大有裨益。其中,GaN/g-C₃N₄的功函数最小,在界面处存在电势差形成了内建电场且红移现象最明显,可推测GaN/g-C₃N₄的光催化性能最好。因此,本文提出的构建异质结是提高体系光催化活性的有效手段。     

Fe掺杂α-Bi2O3光电性质的第一性原理研究

采用第一性原理杂化泛函HSE06方法对Fe掺杂α-Bi2 O3的电子结构和光学性质进行了计算研究.结果表明,Fe掺杂α-Bi2 O3体系有较小的结构变形,本征α-Bi2 O3的禁带宽度为2.69 eV,Fe掺杂使α-Bi2 O3的禁带宽度减小(约为2.34 eV).对其光学性质研究得出Fe掺杂扩展了α-Bi2 O3对可...     

In掺杂ZnO光学性质的第一性原理研究

采用线性缀加平面波的方法,对In元素掺杂ZnO电子结构和光学性质进行研究.计算结果表明:掺In后价带上部分折叠态增加,禁带宽度变窄.不同量In掺杂ZnO与未掺杂时相比,折射率、反射率及消光系数均有明显变化,介电函数虚部向高能量方向移动,而折射率、反射率、吸收系数、消光系数均向低能量方向移动.从理论上指出了光学性质和电子结构之间的联系.