【摘要】：近些年來,二維半導(dǎo)體材料憑借其原子的尺度、可調(diào)節(jié)的尺寸以及獨特的電學(xué)和光學(xué)的優(yōu)勢,比如可以有效降低器件的功耗,以及提高器件的集成度等,在電子器件領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。作為二維材料的代表,石墨烯和六方氮化硼(h-BN)具有相似的原子結(jié)構(gòu),但是它們在性能上有較大的差異。作為石墨烯和六方氮化硼的合金,二維六方硼碳氮(h-BCN)具有較高的載流子遷移率和明顯的可調(diào)節(jié)帶隙,是一種應(yīng)用價值很高的二維半導(dǎo)體。然而,由于BCN體系很容易發(fā)生分相,因此,想要得到真正意義上的BCN合金是一項異常艱巨的任務(wù)。在本項工作中,基于密度泛函理論的第一性原理計算,我們采用分子摻雜的方法,分別將C原子摻入h-BN以及B-N原子摻入石墨烯,研究了h-BCN的結(jié)構(gòu)以及光電性能,具體研究內(nèi)容及結(jié)論如下所述。1.C原子摻入h-BN。我們通過排列組合的方式,構(gòu)建了35種不同的類分子式的碳原子缺陷模型,并計算了各種缺陷的形成能的大小。通過比較形成能數(shù)值的高低,進而得出h-BN中最可能出現(xiàn)的缺陷結(jié)構(gòu),如碳原子二聚體和碳原子六元環(huán)。我們將最可能出現(xiàn)的這兩種缺陷結(jié)構(gòu)隨機地摻入h-BN中,從而構(gòu)建出非分相的BCN結(jié)構(gòu)模型。為了證明所建模型的合理性,在同等摻雜濃度下,我們分別將Mo_((1-x))W_xS_2和碳原子以獨立原子替位方式存在的(BN)_((1-x))C_x作為參照標(biāo)準(zhǔn),對比了各自缺陷的形成能大小。通過分析,我們提出的非分相模型的形成能雖然相對較高,但是在某些實驗條件下(比如電子束輻照技術(shù))是可以合成的。我們利用最可能出現(xiàn)的碳原子缺陷結(jié)構(gòu)(碳原子二聚體和碳原子六元環(huán))組建了不同碳原子濃度的非分相BCN模型。通過計算不同BCN模型的介電常數(shù)虛部的數(shù)值,我們得出,在不同的碳原子濃度下,h-BCN在3.5 eV(GGA計算結(jié)果)附近均出現(xiàn)峰位,并且表現(xiàn)出很好的光吸收性能。隨后,我們進一步分析了它們的能帶圖、態(tài)密度圖以及空間電荷分布情況。結(jié)果表明,隨著碳原子濃度的增加,h-BN的帶隙值逐漸減小,帶隙可調(diào)節(jié)范圍在4.67 eV~2.92 eV(GGA禁帶寬度,其中C原子濃度范圍0%~14%),而導(dǎo)帶底和價帶頂電荷主要來自碳原子的p軌道電子。因此,h-BCN可應(yīng)用于光電子器件,比如高靈敏度探測器,太陽能電池,LED,可調(diào)波長的激光器等。2.B-N原子摻入石墨烯。我們利用B-N原子缺陷在石墨烯中構(gòu)建了17種不同的類分子式的缺陷結(jié)構(gòu)模型,通過計算每種缺陷的形成能得出形成能最低的幾種缺陷結(jié)構(gòu),例如B-N原子二聚體和B-N六元環(huán)。利用這兩種缺陷結(jié)構(gòu),我們重新組建了幾種非分相的h-BCN結(jié)構(gòu)模型,并進一步計算了它們的能帶結(jié)構(gòu)。我們得出,隨著B-N原子濃度的增加,石墨烯帶隙逐漸被打開。特別地,當(dāng)B-N原子濃度為23.4%時,h-BCN帶隙最高可達0.6 eV(GGA禁帶寬度);我們還發(fā)現(xiàn)這些模型的載流子遷移率相對較高(有效質(zhì)量較小),非常適用于電子器件領(lǐng)域。我們又進一步計算了幾種模型的空間電荷在導(dǎo)帶底和價帶頂附近的分布情況,結(jié)果顯示,其帶邊態(tài)主要來源于C原子。綜上所述,我們采用分子摻雜的方法,分別從兩種不同的角度出發(fā),圍繞h-BCN的結(jié)構(gòu)展開設(shè)計和研究,試圖解決其結(jié)構(gòu)分相的難題。在本論文中,我們分別提出了兩種方法可合成非分相的h-BCN,并分析了各自光電性能,我們希望上述探索能對BCN二維半導(dǎo)體在光電器件領(lǐng)域的應(yīng)用提供重要啟示。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN304

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本文編號：2757449