元素吸附对黑磷电学和磁学性质的影响

论文总字数：30662字

目 录

1 绪论 1

1.1 二维层状材料简介 1

1.2 单层黑磷的研究及应用方向 5

1.2.1 单层黑磷的研究与制备 5

1.2.2 单层黑磷的应用 6

1.3 本论文研究的内容 9

2 理论基础及研究方法 10

2.1 从头算法 10

2.2 密度泛函理论 10

2.2.1 Hohenberg-Kohn定理 11

2.2.2 Kohn-Sham方程 11

2.2.3 局域密度近似泛函 12

2.2.4 广义梯度近似泛函 13

2.3 Castep模块介绍 13

2.3.1 Castep介绍 13

2.3.2 Castep的任务 14

2.3.3 Castep的相关设置 15

3 元素吸附对黑磷电学性能的影响 17

3.1 本征黑磷的结构研究 17

3.1.1 单层黑磷的晶体结构 17

3.1.2 单层黑磷的能带和态密度 18

3.2 单层黑磷元素吸附后的几何结构 18

3.2.1 5种吸附位置 19

3.2.2 吸附能以及最稳定的吸附点 21

3.3 黑磷表面吸附非金属元素后的电学性能 25

3.3.1 电荷转移的研究 25

3.3.2 吸附非金属元素后的能带结构和态密度变化 26

3.4 黑磷表面吸附金属元素后的电学性能 30

3.4.1 电荷转移的研究 30

3.4.2 吸附金属元素后的能带结构变化 31

3.5 本章小结 35

4 元素吸附对黑磷磁学性能的影响 36

4.1 黑磷表面吸附非金属元素后的磁学性能 37

4.2 黑磷表面吸附金属元素后的磁学性能 37

4.3 本章小结 39

5 总结和展望 40

参考文献： 41

致谢 43

元素吸附对黑磷电学和磁学性质的影响

李仕超

，China

Abstract：The effects of element adsorption on the electronic and magnetic properties of monolayer black phosphorus (phosphorene) are investigated by first principle calculations. The calculated results indicate that different elements can be easily adsorbed on the surface of black phosphorus due to the corrugated structure.t. In addition, different elements adsorption change the physical properties of phosphorene differently. For example, B, N, Na and Al can enhance conductivity of phosphorene. O, S and Ni can increase the band gap of phosphorene, and transition metal adsorption of Cr, Fe and Co brings magnetism to phosphorene. It can easily manipulate the physical properties of phosphorene by adatoms adsorption. Therefore, phosphorene with element adsoption shows broad application prospects in FET optoelectronic devices and spintronic devices.

Key words：monolayer black phosphorene；element adsorption；band structure；magnetic properties

第一章 绪论

1.1 二维层状材料简介

只要涉及到二维纳米材料，不得不提一下石墨烯这个二维纳米材料的领袖。2004年，两名来自英国的研究人员Andre Gei和Kostya Novoselov^[1,2]，顺利地把石墨烯从石墨块中分离了出来（图1.1），证实了二维纳米材料是可以单独稳定得在室温下存在的，二人也因为这项意义非凡的研究，联合拿到了2010年诺贝尔物理学奖，开启了近12年来的二维层状材料研究热潮。石墨烯中的C的以SP²杂化相结合，特殊的二维结构使其得到了许多新奇且极端的物理特性。石墨烯不仅拥有强大的机械性能——目前最薄、最强韧的材料，而且它拥有极高的电子迁移率、高的热导率、在室温下的量子霍尔效应^[3,4]。这些优秀的性质使石墨烯被认为是未来制造高性能纳米电子器件、透明电极材料、能量储存材料、复合材料等领域的理想材料。

图1.1 首次剥离获得的石墨烯晶体样品

虽然石墨烯具有以上这些如此出色的性质，但是在半导体器件的领域却很难发挥作用。半导体电子器件，如晶体管、太阳能电池、传感器等元件，对材料的带隙有很高的要求，但是石墨烯本身是一种优秀的导体，不存在带隙，而且通过掺杂或改性等方式得到的带隙很小，无法满足器件的要求，限制了石墨烯在半导体器件上的发挥。于是我们把目光转移到了其他二维层状材料上，比如硅烯、氮化硼薄膜、过渡金属硫族化合物以及磷烯（单层黑磷）。

图1.2 硅烯的晶体结构

在寻找新的二维层状材料时，科学家们首先想到了与C同为第四主族的Si元素，单层的硅单质是否也具有类似石墨烯蜂窝状的结构呢？一方面，人们对其进行了理论研究，发现硅烯的电子结构与石墨烯类似，都是狄拉克型电子态^[5]，在能带计算中发现硅烯的布里渊区中也存在六个狄拉克锥线性色散因此，硅烯的电学性质和电子结构与石墨烯基本相同，可以部分替换石墨烯的器件，而且硅烯的研究可以借助于目前发达的硅产业，与传统硅晶体相互发展。另一方面，从实验的角度，2012年中科院物理研宄所的陈歲副和吴克辉研究员，首次用分子束外延法（MBE），在Ag（111）面生长出来了硅烯^[6]，图1.2为硅烯的晶体结构图。观察到的结果与理论研究一致，具有蜂窝状结构，电子态为狄拉克型。硅烯不是半导体，但是可以通过改性的方式达到打开带隙的目的。

图1.3 大块氮化硼晶体的类石墨结构

我们再介绍一种类石墨烯结构的二维纳米材料——六角氮化硼薄膜（h-BN）。在氮化硼的分子结构中，相等数量的B原子和N原子以SP²杂化结合后，形成了蜂窝状的六角形结构（图1.3）。虽然结构与石墨烯相似，而且也具有强韧的机械性能和高的热导率，但是电子性能却完全不同。经计算，单层的六角氮化硼是半导体材料，带隙为5.95eV^[7]，这是一个很宽大的带隙了。由于这种宽带隙半导体的特性，六角氮化硼的应用方向主要有：光电子器件、电子设备的电绝缘层、深紫外发射器、复合材料等领域。2005年，剥离石墨烯的Novoselov等人用同样的方式制得了单层氮化硼晶体^[8]，随后的几年，其他科学家通过化学气相沉积（CVD）和热分解法也生产出了单层和多层的氮化硼晶体。（图1.4）

图1.4 实验室制备的二维氮化硼结构展示

二维层状材料不一定都是石墨烯的蜂窝六角形结构，2010年研究人员成功制造了一类新型的二维层状材料——以MoS₂为代表的过渡金属硫族化合物（简称TMDC，transition ）。其结构如图1.5所示。

图1.5 TMDC的结构示意图，M代表Mo、W等过渡金属，X代表第VI主族的S和Se

TMDC最大的特点就是它有强烈的自旋轨道耦合作用，粒子的自旋与轨道动量的相互作用引起的轨道能级的分裂作用十分明显，同时它拥有可见光范围的直接带隙，这赋予了它理想的光学和电学应用前景。在电子晶体管发明以来的这60多年，不断缩小晶体管的尺寸，并且在同一块电路板上加入更多的晶体管，摩尔定律一直都是推动人类社会前进的重要因素。但是发展到现阶段，传统的硅基场效应晶体管已经达到瓶颈，受制于量子力学基本原理的限制，寻找新的材料来替代硅，成为了一项有深远意义的研究项目。理想的晶体管开关需要有明显的开关电流比，同时电流损耗要尽可能得低，反应时间尽可能得短。二维半导体材料在晶体管中通常具有优秀的有效屏蔽长度，这使开关电流的差别非常明显，而且TMDC的带隙大小合理，可以明显减少两个极源之间的漏电。如图1.6，研究人员试验了二维半导体材料优化传统晶体管的可行性。其中电极材料是Au，介电材料选用HfO₂，并用单层MoS₂充当晶体管的沟道材料，在二氧化硅的基体上构建了一个纳米晶体管。最终测到了10⁸的开关电压比，电子迁移率在的温度下达到了200。这显示出了二维半导体材料制造的晶体管有优秀的实际应用价值。

图1.6 MoS₂二维半导体制造的晶体管

通过以上四种二维晶体材料，我们了解了该领域目前的研究状况和发展方向，下一节会着重介绍一种同样具有优异性能的二维半导体材料——单层黑磷。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：30662字

相关图片展示：