納米異質(zhì)結(jié)外延生長及能帶調(diào)控機(jī)理研究.pdf

1、本文基于密度泛函理論的第一性原理投影綴加平面波方法，選用廣義梯度近似方法(GGA)中的 PBE交換關(guān)聯(lián)函數(shù)，應(yīng)用 VASP軟件包來進(jìn)行計(jì)算。本文主要研究了第四主族二維納米材料異質(zhì)結(jié)外延生長及其他低維材料的電子和磁學(xué)性質(zhì)。
　　首先，我們對(duì)石墨烯在單層BC3襯底上生長時(shí)的幾何、能量以及電子性質(zhì)進(jìn)行了研究。通過研究發(fā)現(xiàn)，石墨烯和BC3襯底之間存在微弱的范德瓦爾斯相互作用。在石墨烯/BC3異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中，石墨烯可以打開0.16eV的帶隙。

2、我們發(fā)現(xiàn)層間距和平面應(yīng)力可以很好的調(diào)節(jié)異質(zhì)結(jié)的帶隙大小，并且石墨烯的線性的能帶色散關(guān)系也可以得到很好的保存，這就意味著異質(zhì)結(jié)依然保持了很小的電子有效質(zhì)量和很高的電子遷移率。
　　接下來，我們又研究了吸附在WS2襯底上的石墨烯的電子性質(zhì)。通過研究發(fā)現(xiàn)石墨烯與WS2襯底之間的距離達(dá)到了3.9埃米，對(duì)于不同石墨烯的吸附構(gòu)型，每個(gè)碳原子的鍵能范圍在-21～32meV之間，這就表明了石墨烯與WS2襯底之間是通過較弱的范德瓦爾斯力相互作用的。

3、石墨烯的線性的能帶色散關(guān)系在異質(zhì)結(jié)中得到了很好的保存，并且根據(jù)石墨烯的吸附構(gòu)型以及層間距會(huì)打開相當(dāng)大的帶隙。有趣的是，當(dāng)兩者的層間距大于3.0埃米時(shí)，帶隙的打開主要是由石墨烯決定的，與WS2襯底沒有關(guān)系。進(jìn)一步的分析表明異質(zhì)結(jié)的半導(dǎo)體性質(zhì)是由于襯底誘導(dǎo)了石墨烯的在位能發(fā)生了變化，進(jìn)而打開了一定的帶隙。
　　在不降低硅烯中高的載流子遷移率的前提下打開一個(gè)相當(dāng)大的帶隙對(duì)于其在納米電子器件中的應(yīng)用是一個(gè)關(guān)鍵的問題。經(jīng)過計(jì)算發(fā)現(xiàn)硅烯和單層

4、ZnS之間是通過范德瓦爾斯作用相互結(jié)合的。硅烯/ZnS異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的三種構(gòu)型的鍵能范圍在-0.09～0.3eV/Si之間，其中ABZn構(gòu)型是最穩(wěn)定的，并且三種構(gòu)型的帶隙打開范圍在0.025～1.05eV之間。對(duì)于不同的體系，我們嘗試著調(diào)節(jié)層間距和平面應(yīng)力，意外的發(fā)現(xiàn)了直接帶隙向間接帶隙轉(zhuǎn)變的過程。值得一提的是作為亞穩(wěn)態(tài)的ABS構(gòu)型，硅烯的狄拉克錐特性可以很好的被保存下來，這就意味著硅烯中小的電子有效質(zhì)量和高的電子遷移率都不會(huì)被破壞。

5、>　　同樣，我們又研究了硅烯在MoSe2襯底上的能量以及電子特性。結(jié)果表明硅烯同樣是與襯底之間存在非常弱的相互作用，每個(gè)硅原子的鍵能達(dá)到了-0.56eV。我們可以在硅烯/MoSe2異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中觀察到線性能帶色散關(guān)系，并且具有一個(gè)很大的帶隙。事實(shí)上，我們發(fā)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)的帶隙以及電子有效質(zhì)量可以通過層間距、平面應(yīng)力、外電場(chǎng)進(jìn)行有效的調(diào)控。硅烯/MoSe2異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的適當(dāng)帶隙以及高載流子遷移率為其在硅基場(chǎng)效應(yīng)晶體管中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
　　

6、接下來，我們研究了堿金屬、堿土金屬、第三主族以及3d過渡金屬原子吸附在鍺烯上的特性。結(jié)果表明堿金屬原子吸附在鍺烯上時(shí)對(duì)鍺烯的幾何構(gòu)型的影響最小。堿金屬原子和鍺烯之間有明顯的電子轉(zhuǎn)移，這導(dǎo)致了鍺烯的金屬化。然而堿土金屬原子的吸附是通過離子鍵和共價(jià)鍵的共同作用的，這使鍺烯具有了半導(dǎo)體性質(zhì)，可以打開的帶隙范圍在17～29meV之間。對(duì)于第三主族原子來說，它們同樣表現(xiàn)出了離子鍵和共價(jià)鍵的混合特性。過渡金屬原子吸附在鍺烯上的情況比較復(fù)雜，并且所有

7、過渡金屬原子吸附都與鍺烯形成了強(qiáng)烈的共價(jià)鍵。這種共價(jià)作用主要來源于過渡金屬原子的3d軌道和鍺原子的pz軌道的雜化作用。對(duì)于不同的過渡金屬原子類型，吸附體系表現(xiàn)出了金屬、半金屬或者半導(dǎo)體的性質(zhì)。最后我們還討論了不同吸附原子的偶極矩和功函數(shù)的變化趨勢(shì)。
　　同時(shí)，我們又研究了氯原子吸附在氮化鋁納米面上的電子以及磁學(xué)性質(zhì)。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，純的氮化鋁納米面和全氯化的氮化鋁納米面都表現(xiàn)出了半導(dǎo)體的性質(zhì)。然而，當(dāng)表面的鋁原子被氯化時(shí)，體系會(huì)呈現(xiàn)