本文關(guān)鍵詞：若干新型二維半導(dǎo)體設(shè)計(jì)與電子結(jié)構(gòu)分析的第一性原理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：單層石墨烯在實(shí)驗(yàn)中的成功剝離掀起了各個(gè)領(lǐng)域的科學(xué)家以及工程師們對(duì)二維材料的研究熱情。從四族的單一元素二維晶體:石墨烯、硅烯、鍺烯、錫烯,到三族的硼烯,五族的磷烯,再到二硫化鉬,二硒化鎢等過渡金屬二硫系化合物,這些新型二維材料在短時(shí)間內(nèi)就實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)上的成功制備,并很快被用于制作器件,例如:場(chǎng)效應(yīng)晶體管、導(dǎo)電透明電極等。為了進(jìn)一步豐富二維材料的種類,本研究通過基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算,設(shè)計(jì)、預(yù)測(cè)了目前尚未報(bào)道的,有可能在將來實(shí)現(xiàn)制備和使用的若干新型二維半導(dǎo)體材料,以期推動(dòng)傳統(tǒng)半導(dǎo)體工業(yè)能夠朝著更薄、更小、更高效的器件方向發(fā)展。研究工作的總結(jié)如下:1.選取了元素周期表中IIA族的Be、Mg、Ca、Sr、Ba和IIB族的Zn、Cd、Hg共8種元素與VI族的O、S、Se、Te 4種元素進(jìn)行兩兩組合,以單層石墨烯結(jié)構(gòu)為原型,通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算,尋找能量極小值結(jié)構(gòu),并計(jì)算其對(duì)應(yīng)的聲子譜,系統(tǒng)地探索了32種II-VI族類石墨烯單層二維半導(dǎo)體的穩(wěn)定性。若聲子譜中沒有虛頻,則說明該體系動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定。在這32種組合中,發(fā)現(xiàn)了十種穩(wěn)定的候選體系,他們分別是Be O、Mg O、Ca O、Zn O、Cd O、Ca S、Sr S、Sr Se、Ba Te、Hg Te。1000K的高溫分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果與聲子譜對(duì)穩(wěn)定性的判定一致。不穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),如Hg S,高溫退火模擬后,二維結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了不規(guī)則的四元環(huán),根據(jù)這一演化特征,進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了Hg S和Ba S的重構(gòu)四元環(huán)結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的,其對(duì)應(yīng)的帶隙分別為380 nm和440 nm。本研究工作還采用雜化泛函(HSE)方法對(duì)材料的帶隙進(jìn)行了修正,并統(tǒng)計(jì)了其帶隙對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)范圍,發(fā)現(xiàn)大部分六元環(huán)體系的帶隙對(duì)應(yīng)的發(fā)光區(qū)域集中在紫外光區(qū),只有Cd O和Hg Te例外。Cd O的帶隙對(duì)應(yīng)可見光區(qū)的橘色波段,Hg Te的帶隙對(duì)應(yīng)紅外光波段。最近有研究報(bào)道,二維Hg Te在應(yīng)力和自旋軌道耦合(SOC)的共同作用下,可以向拓?fù)浞瞧接瓜噢D(zhuǎn)變,形成拓?fù)浣^緣體。此外,Sr Se具有很平的價(jià)帶,并且在電子激發(fā)后,體系出現(xiàn)1μB磁性。這一新發(fā)現(xiàn)可能給半導(dǎo)體電子器件的設(shè)計(jì)注入新活力。2.與石墨烯相比,Kagome構(gòu)型的硼單層是缺電子體系,因此,采用過渡金屬原子供給電子的思路,設(shè)計(jì)了具有三明治結(jié)構(gòu)的過渡金屬六硼化物。該層狀結(jié)構(gòu)上下兩層由硼的Kagome格子組成,過渡金屬位于兩硼層對(duì)準(zhǔn)的六元環(huán)中心,與上下共12個(gè)硼原子成鍵,形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。采用該模型,我們研究了第四周期的10種過渡金屬原子在此三明治結(jié)構(gòu)中的穩(wěn)定性,計(jì)算發(fā)現(xiàn)有四種體系動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定,他們分別是Mn B_6、Fe B_6、Sc B_6和Ti B_6。其中,Mn B_6和Fe B_6是半導(dǎo)體,Sc B_6和Ti B_6是金屬。最特別的是:Mn B_6是具有內(nèi)稟磁性的半導(dǎo)體,而且其價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底都是由同一自旋的電子貢獻(xiàn)的。這一特性使得Mn B_6有潛力應(yīng)用于自旋電子學(xué)的研究和對(duì)應(yīng)器件的設(shè)計(jì),例如:自旋過濾器件和自旋晶體管。3.以二維層狀材料MXene體系中典型的Ti2C原子結(jié)構(gòu)為原型,分別用IVA族的元素C、Si、Ge和Sn對(duì)過渡金屬鈦原子格點(diǎn)進(jìn)行替換,以期尋找到能和現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝較兼容的二維半導(dǎo)體材料。其中發(fā)現(xiàn)Si2C、Ge2C、Sn2C的聲子譜沒有虛頻,是動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的材料。該原子構(gòu)型是以C原子為中心,其他IVA族原子Si、Ge、Sn以正八面體構(gòu)型包圍C原子。因此,該類二維材料因其組成的半導(dǎo)體元素使其具有與現(xiàn)有Si基半導(dǎo)體工藝相兼容潛力,有望實(shí)現(xiàn)低維小型化的電子器件。這三個(gè)工作分別預(yù)測(cè)了三類二維結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性,尋找到了一系列動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的二維材料。在新發(fā)現(xiàn)的材料中,有適合于制備光電器件的直接帶隙半導(dǎo)體,有較為罕見的具有內(nèi)稟磁性的半導(dǎo)體,也有在電子激發(fā)后獲得磁性的半導(dǎo)體。這些新發(fā)現(xiàn)可以豐富現(xiàn)有的二維體系,為低維電子器件的設(shè)計(jì)提供材料基礎(chǔ)。此外,二維體系與三維材料相比所特有的奇異性質(zhì)還可以為物理研究提供平臺(tái),推進(jìn)新型電子器件設(shè)計(jì)。
【關(guān)鍵詞】：二維材料 二維半導(dǎo)體 第一性原理計(jì)算 密度泛函理論 類石墨烯半導(dǎo)體 過渡金屬硼化物 類MXene材料
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN302
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 緒論11-20
• 1.1 二維材料在微電子、光電子、自旋電子領(lǐng)域的研究進(jìn)展11-18
• 1.2 II-VI族類石墨烯二維單層半導(dǎo)體體系的系統(tǒng)研究18
• 1.3 過渡金屬穩(wěn)定硼Kagome三明治結(jié)構(gòu)的理論研究18-19
• 1.4 硅基MXene結(jié)構(gòu)碳化物設(shè)計(jì)與研究19-20
• 第二章 密度泛函理論20-29
• 2.1 薛定諤方程20-22
• 2.2 密度泛函理論：從波函數(shù)到電荷密度22-25
• 2.3 交換關(guān)聯(lián)函數(shù)25-26
• 2.4 贗勢(shì)26-28
• 2.5 DFT不能解決的問題28-29
• 第三章 II-VI族類石墨烯二維單層半導(dǎo)體體系的系統(tǒng)研究29-44
• 3.1 研究背景介紹29-30
• 3.2 計(jì)算方法30
• 3.3 II-VI族類石墨烯化合物的原子結(jié)構(gòu)和內(nèi)聚能比較30-34
• 3.4 II-VI族類石墨烯化合物的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性判定及新結(jié)構(gòu)演化探索34-39
• 3.5 II-VI族類石墨烯化合物的電子結(jié)構(gòu)研究39-42
• 3.6 II-VI族二維穩(wěn)定體系性質(zhì)歸納以及應(yīng)用前景42-43
• 3.7 研究總結(jié)與展望43-44
• 第四章 過渡金屬硼化物的二維Kagome材料體系探索44-58
• 4.1 研究背景介紹44-48
• 4.2 計(jì)算方法48
• 4.3 過渡金屬六硼化物二維體系的晶體結(jié)構(gòu)以及形成能分析48-51
• 4.4 過渡金屬六硼化物二維體系動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性判斷51-52
• 4.5 過渡金屬六硼化物二維體系的電子結(jié)構(gòu)分析52-57
• 4.6 總結(jié)與展望57-58
• 第五章 硅基MXene結(jié)構(gòu)碳化物設(shè)計(jì)與研究58-66
• 5.1 研究背景及意義58-60
• 5.2 計(jì)算方法60
• 5.3 硅基類MXene結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性60-64
• 5.4 總結(jié)及討論64-66
• 第六章 總結(jié)與展望66-68
• 6.1 總結(jié)66-67
• 6.2 展望67-68
• 參考文獻(xiàn)68-74
• 作者簡(jiǎn)介74-75
• 攻讀碩士期間已發(fā)表及待發(fā)表的學(xué)術(shù)論文75-76
• 致謝76-78

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本文編號(hào)：260411