固體物理學將材料的基礎(chǔ)理論和實際應(yīng)用十分緊密地結(jié)合在一起。為了使學生更加深入地理解材料的物質(zhì)結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì),利用計算機軟件構(gòu)建結(jié)構(gòu)模型和設(shè)計實驗,將晶體結(jié)構(gòu)可視化。針對兩種二維單層材料PBi₃和P₃Bi,設(shè)計了3個實驗:結(jié)構(gòu)優(yōu)化實驗、能帶分析實驗和能帶調(diào)控實驗。計算結(jié)果表明,二維單層PBi₃和P₃Bi具有與可見光能量相匹配的適中帶隙,分別為1.50 eV和1.03 eV,而且能夠通過施加應(yīng)變的方法得到有效調(diào)控,實現(xiàn)半導(dǎo)體-金屬的轉(zhuǎn)變。該實驗設(shè)計不僅鍛煉了學生文獻查找能力和數(shù)據(jù)分析能力,而且有助于學生更加深入地理解材料的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)。 

【文章來源】：實驗技術(shù)與管理. 2020,37(07)北大核心

【文章頁數(shù)】：4 頁

【部分圖文】：

二維單層材料P3Bi和PBi3結(jié)構(gòu)的俯視圖和側(cè)視圖

130實驗技術(shù)與管理圖2單層材料能帶結(jié)構(gòu)圖為直接帶隙，電子更易于從價帶躍遷到導(dǎo)帶，有利于電子-空穴對的產(chǎn)生[13]。4能帶調(diào)控實驗材料在不同環(huán)境下，承受各種不同的外加載荷，如壓縮、拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)等，會表現(xiàn)出不同的力學特征，而對二維材料施加應(yīng)變也是調(diào)控其電子結(jié)構(gòu)的有效手段[14]。本次實驗以單層P3Bi和單層Bi3P為例，對材料施加壓縮應(yīng)變（ε<0）和拉伸應(yīng)變（ε>0），并不斷改變應(yīng)變的大小，探索晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)與應(yīng)變的關(guān)系。圖3直觀地反映出總能量和相鄰原子距離與應(yīng)變的關(guān)系。在應(yīng)變較小時（如–10%≤ε≤15%），總能量與應(yīng)變呈拋物線關(guān)系，而相鄰原子距離與應(yīng)變呈線性關(guān)系，表明為彈性應(yīng)變；而應(yīng)變較大（如ε<–10%或ε>15%）時，總能量和相鄰原子距離發(fā)生突變，為非彈性應(yīng)變。非彈性應(yīng)變會導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，本文只討論彈性應(yīng)變對帶隙大小的影響。圖3表明，在不同應(yīng)變下原子間的相對位置會隨著應(yīng)變的變化而變化，從而影響強度和原子間成鍵性質(zhì)，最終使材料能帶結(jié)圖3單層P3Bi和PBi3的總能量以及相鄰原子距離與應(yīng)變的關(guān)系

130實驗技術(shù)與管理圖2單層材料能帶結(jié)構(gòu)圖為直接帶隙，電子更易于從價帶躍遷到導(dǎo)帶，有利于電子-空穴對的產(chǎn)生[13]。4能帶調(diào)控實驗材料在不同環(huán)境下，承受各種不同的外加載荷，如壓縮、拉伸、彎曲和扭轉(zhuǎn)等，會表現(xiàn)出不同的力學特征，而對二維材料施加應(yīng)變也是調(diào)控其電子結(jié)構(gòu)的有效手段[14]。本次實驗以單層P3Bi和單層Bi3P為例，對材料施加壓縮應(yīng)變（ε<0）和拉伸應(yīng)變（ε>0），并不斷改變應(yīng)變的大小，探索晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)與應(yīng)變的關(guān)系。圖3直觀地反映出總能量和相鄰原子距離與應(yīng)變的關(guān)系。在應(yīng)變較小時（如–10%≤ε≤15%），總能量與應(yīng)變呈拋物線關(guān)系，而相鄰原子距離與應(yīng)變呈線性關(guān)系，表明為彈性應(yīng)變；而應(yīng)變較大（如ε<–10%或ε>15%）時，總能量和相鄰原子距離發(fā)生突變，為非彈性應(yīng)變。非彈性應(yīng)變會導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，本文只討論彈性應(yīng)變對帶隙大小的影響。圖3表明，在不同應(yīng)變下原子間的相對位置會隨著應(yīng)變的變化而變化，從而影響強度和原子間成鍵性質(zhì)，最終使材料能帶結(jié)圖3單層P3Bi和PBi3的總能量以及相鄰原子距離與應(yīng)變的關(guān)系

【參考文獻】：
期刊論文
[1]固體物理教學中計算模擬實驗的設(shè)計[J]. 劉小標,袁超,鄭義兵,祁詩陽,張夢嬌.  南方農(nóng)機. 2019(17)
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[4]晶體模擬軟件及單晶定向儀聯(lián)用開展晶體結(jié)構(gòu)實驗教學[J]. 李凌云,于巖.  實驗技術(shù)與管理. 2017(12)
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本文編號：3520270