新型二維材料的環(huán)境穩(wěn)定性和設計.pdf

1、二維材料以其諸多優(yōu)異的性質和極高的應用價值引起了廣泛的關注和研究。近年來，隨著研究的深入和新型二維材料的不斷出現，研究者們面臨著越來越多的機遇和挑戰(zhàn)。和傳統(tǒng)材料領域的研究模式類似，目前對二維材料研究也主要包括已有材料的性能優(yōu)化和新材料的開發(fā)兩個方向:一方面，已發(fā)現的不少二維材料雖然性質卓越，但諸如環(huán)境穩(wěn)定性差、器件化后性能無法維持、成本高昂等缺陷仍制約著其實際應用。最典型的例子就是少數層黑磷，盡管因具有直接帶隙、高遷移率、高開關比等特性

2、而被認為是未來理想的二維半導體材料，但嚴重的環(huán)境穩(wěn)定性問題導致其無法被制成穩(wěn)定的器件，從而限制了黑磷優(yōu)異性能的實際應用。因此，如何對現存二維材料的缺點進行彌補是急待研究的重要方向。另一方面，在現有的二維材料中還缺乏具有某些特殊性質的材料。例如，與三維塊體材料相比，二維拓撲絕緣體材料的數量非常稀少，且現有的設計大多無法實現。因此繼續(xù)設計尋找新的二維材料仍是十分必要的。本論文以少數層黑磷的環(huán)境穩(wěn)定性研究和新型二維金屬-有機拓撲絕緣體的設計為

3、切入點，分別探討了二維材料在上述兩方面的問題，主要研究內容包括以下幾個方面:
　　1)少數層黑磷光致降解的機理和保護方法。少數層黑磷在環(huán)境中容易發(fā)生氧化降解，這極大地制約了對少數層黑磷的進一步研究和器件化應用。對降解機制的研究、對保護方法的探索是現階段少數層黑磷研究的當務之急?；诘谝恍栽黼娮咏Y構計算和分子動力學模擬，給出了黑磷降解的“三步式”圖像:光生超氧根、超氧根分解、水作用下的降解。適中的帶隙和同O2/O2-氧化還原勢相匹

4、配的帶邊加速了薄層黑磷的降解過程。此外，針對降解圖像的第三步，發(fā)現P-O-P鍵的形成可以在很大程度上穩(wěn)定黑磷結構。因此，提出了一種可能的黑磷保護策略——完全氧化最表層的黑磷并將形成的原生氧化物層作為保護層。這樣的完全氧化物層可以有效地避免水對表層黑磷的破壞從而阻止了進一步的降解，并且底下的黑磷結構仍然完整且較高的空穴遷移率也得到了保留。而針對降解圖像的第一步，發(fā)現通過Te摻雜可以有效抑制超氧根的產生以達到提升少數層黑磷穩(wěn)定性的目的，相應

5、的實驗結果很好地證實了這一措施確實是可行和有效的。
　　2)通過分子插層提升少數層黑磷的穩(wěn)定性。不同于在黑磷表面直接覆蓋保護層的方法，提出了一種新策略來提高黑磷的環(huán)境穩(wěn)定性，即抑制降解過程中超氧根陰離子的生成。第一性原理計算結果表明，通過拉伸黑磷層與層之間的距離可以有效地調節(jié)其導帶底的位置，從而抑制超氧根的生成。而層間距的增加可以通過插層H2或He這樣的小分子來實現。此外，分子插層的黑磷有著更大的帶隙和完好的空穴遷移率，因此是一種

6、更適合實際應用的二維半導體材料。最新的實驗結果表明，經H2處理的黑磷器件在穩(wěn)定性上得到了很大的提升，并且遷移率和開關比都基本得到了保留，證實了分子插層策略的可行性和有效性。
　　3)基于剛性有機配合物的二維拓撲絕緣體。從理論計算的角度研究了一類新的二維材料，其結構是由剛性有機配體和過渡金屬重離子（如Pd2+和Pt2+）間配位化合而成。相信這類結構很容易制備并能在正常大氣環(huán)境下保持穩(wěn)定。從第一性原理計算和緊束縛近似模型出發(fā)，給出了材

7、料的塊體能帶結構、邊界態(tài)、自旋陳數以及Z2拓撲不變量等性質，從而確定了其非平庸的拓撲特性，表明了這類材料是很好的拓撲絕緣體候選材料。
　　4)基于金元素的二維金屬-有機拓撲絕緣體。設計了兩種基于金元素的金屬-有機配位化合物，分別在kagome和decorated honeycomb晶格中實現了非平庸的拓撲特性。尤其對decorated-honeycomb-Au結構來說，是第一次找到該類晶格所對應的現實拓撲絕緣體材料。通過笫一性原理