磷烯是一種新興的二維材料,是磷原子通過共價(jià)鍵形成的褶皺蜂窩狀結(jié)構(gòu)。磷烯具有可調(diào)的直接帶隙和高度各向異性的能帶結(jié)構(gòu),在光學(xué)和光電子學(xué)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。本文基于第一性原理計(jì)算,研究了磷烯器件中光電流的應(yīng)變調(diào)控和磷烯納米帶的邊界磁性。（1）針對磷烯納米帶,研究了結(jié)構(gòu)弛豫對邊界磁性和能帶結(jié)構(gòu)的影響。對直接從磷烯晶體結(jié)構(gòu)剪裁得到的納米帶,計(jì)算表明,邊界原子處于雙邊鐵磁但對邊反鐵磁的狀態(tài)（FM-A態(tài)）時(shí),系統(tǒng)能量最低。扶手椅邊界的納米帶表現(xiàn)為金屬,鋸齒形邊界的納米帶表現(xiàn)為間接帶隙的半導(dǎo)體。隨著寬度的增加,邊界磁性逐漸消失。對完全結(jié)構(gòu)弛豫后的磷烯納米帶,計(jì)算表明,扶手椅邊界的納米帶沒有邊界磁性且表現(xiàn)為間接帶隙的半導(dǎo)體,鋸齒形邊界的納米帶只在某個(gè)特定的寬度存在FM-A態(tài)。相比之下,結(jié)構(gòu)弛豫對石墨烯納米帶的邊界磁性和能帶結(jié)構(gòu)影響較小。（2）針對線偏振光垂直照射的二端磷烯器件,研究了光電流的應(yīng)變調(diào)控。在光照區(qū)的一部分施加垂直于磷烯平面的門電壓,破壞體系的空間反演對稱,獲得在源-漏偏壓為零時(shí)的光電流。我們采用基于密度泛函理論與非平衡格林函數(shù)相結(jié)合的方法計(jì)算這種光致電流。在無應(yīng)變的體系中,光電流具有高度... 

【文章來源】：浙江師范大學(xué)浙江省

【文章頁數(shù)】：51 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

左圖為黑磷塊體的晶體結(jié)構(gòu)[28]，右圖為磷烯的晶體結(jié)構(gòu)(俯視圖和側(cè)視圖)[29]

磷烯器件中光電流的應(yīng)變調(diào)控和邊界磁性由單層磷原子通過范德瓦爾斯力一層一層結(jié)合起來的[1,2]。磷烯晶體結(jié)構(gòu)如圖1.1右圖所示，存在著像石墨烯那般的六角格子結(jié)構(gòu)。但是，這些磷原子的位置與石墨烯不同，它們并不在同一平面內(nèi)，而是一個(gè)磷原子和周圍的三個(gè)磷原子通過sp3雜化得到的褶皺起伏的結(jié)構(gòu)[26]。磷烯的元胞是矩形。一個(gè)元胞包含4個(gè)磷原子，它們平均分布在上下兩個(gè)亞層。磷烯有兩種特殊的晶向：鋸齒形(zigzag)和扶手椅型(armchair)晶向。沿著armchair方向，磷原子交替出現(xiàn)在上下亞層，排列成扶手椅形。沿著zigzag方向，磷原子出現(xiàn)在同一個(gè)亞層，排列成鋸齒形。因?yàn)閍rmchair與zigzag方向原子排布的不同，所以磷烯的能帶結(jié)構(gòu)具有各向異性的特點(diǎn)，從而導(dǎo)致它的電學(xué)和光電性質(zhì)有比較強(qiáng)的各向異性[17,27]。1.1.2磷烯的力學(xué)學(xué)性質(zhì)圖1.2:(a)(b)電子和空穴的有效質(zhì)量隨armchair方向的應(yīng)變強(qiáng)度的變化。（c)(d)電子和空穴的有效質(zhì)量隨zigzag方向的應(yīng)變強(qiáng)度的變化[42]。2

磷烯器件中光電流的應(yīng)變調(diào)控和邊界磁性圖1.3:(a)裝置示意圖和測量電路圖，(b)恒功率時(shí)響應(yīng)率和激光波長的關(guān)系，(c)響應(yīng)率和功率的關(guān)系，(d)光電流隨時(shí)間的變化[46]。1.2磷烯納米帶帶磁性的尺寸效應(yīng)我們知道二維材料不可能無限大，需要研究材料在有限尺寸下的特性[51]。通常研究材料的尺寸效應(yīng)的一種簡單方法是讓其在一個(gè)方向上足夠大(具有周期性)，另一個(gè)方向上有限寬，也就是常見的納米帶結(jié)構(gòu)。圖1.4給出了邊緣磷原子排列成鋸齒狀的磷烯納米帶，它的寬度n定義為平行納米帶方向磷原子的列數(shù)。根據(jù)之前的研究結(jié)果[52]，具有鋸齒形邊界的磷烯納米帶在自旋極化條件下表現(xiàn)出磁性。磷烯納米帶在鐵磁和反鐵磁狀態(tài)下的能量均比在順磁狀態(tài)的能量低。對于寬度為n=12的納米帶而言，反鐵磁態(tài)的能量比鐵磁態(tài)的能量低12meV/atom左右，鐵磁和反鐵磁態(tài)的能量差隨著寬度的增加而減小，磁性在寬度達(dá)到28時(shí)消失了。分析其原因，是因?yàn)殡S著寬度的增加，納米帶兩側(cè)的磷原子自旋耦合減弱。文獻(xiàn)[52]的計(jì)算沒有考慮納米帶的結(jié)構(gòu)馳豫。在真空中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的磷烯納米帶是否具有磁性？當(dāng)縮小寬度時(shí)，磷烯納米帶的邊緣磁4

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]邊緣修飾對石墨烯納米帶電子和磁性性質(zhì)的影響[J]. 李歡歡,彭川黔,劉強(qiáng).  重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)). 2014(07)



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