【摘要】：在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天,半導(dǎo)體器件越來(lái)越向小型化與高效化發(fā)展。纖鋅礦和閃鋅礦作為第三代半導(dǎo)體材料已被廣泛地研究和應(yīng)用,而它們的二維結(jié)構(gòu)也因其所具有的獨(dú)特和新奇的物理、化學(xué)和電子學(xué)性質(zhì)而備受關(guān)注。本文對(duì)纖鋅礦和閃鋅礦納米薄膜的幾何結(jié)構(gòu)與電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了理論計(jì)算研究,并探討了電場(chǎng)對(duì)其的調(diào)控作用,旨在為這一系列的材料在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用提供一些理論指導(dǎo)。論文研究的主要內(nèi)容如下:(1)對(duì)不同層數(shù)的纖鋅礦(001)面和閃鋅礦(111)面超薄納米薄膜的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,所研究的納米薄膜均存在一個(gè)臨界層數(shù),小于或等于臨界層數(shù)時(shí)它們的結(jié)構(gòu)會(huì)自發(fā)轉(zhuǎn)變?yōu)轭?lèi)石墨結(jié)構(gòu);而大于臨界層數(shù)時(shí)仍為類(lèi)似塊體的結(jié)構(gòu)。此外研究還發(fā)現(xiàn),所研究的纖鋅礦薄膜的兩種結(jié)構(gòu)剛好對(duì)應(yīng)著兩種不同的性質(zhì),小于臨界層數(shù)的薄膜呈半導(dǎo)體性質(zhì),并且?guī)峨S層數(shù)增加而減小;大于臨界層數(shù)的薄膜呈金屬性,這是由于表面原子富集電荷所致。而所研究的閃鋅礦薄膜則有兩種不同的類(lèi)型,第一類(lèi)類(lèi)似于纖鋅礦;第二類(lèi)則還有一個(gè)特殊的中間態(tài),中間態(tài)的薄膜類(lèi)似閃鋅礦塊體結(jié)構(gòu)但表現(xiàn)為半導(dǎo)體性質(zhì)。(2)在施加外電場(chǎng)的研究中,探討了電場(chǎng)對(duì)優(yōu)化后閃鋅礦和纖鋅礦單層薄膜的幾何與電子結(jié)構(gòu)調(diào)控作用。幾何結(jié)構(gòu)上,在施加z軸正方向的電場(chǎng)時(shí),單層平面結(jié)構(gòu)薄膜會(huì)隨著電場(chǎng)強(qiáng)度增大變成皺褶結(jié)構(gòu),電場(chǎng)越大,皺褶程度越大。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度相同方向相反時(shí),它們的皺褶方向亦相反,并且成對(duì)稱(chēng)關(guān)系。電子結(jié)構(gòu)上,它們的帶隙會(huì)在電場(chǎng)大于某一絕對(duì)值時(shí)開(kāi)始減小,并且正向電場(chǎng)對(duì)帶隙的影響要略大于負(fù)向電場(chǎng)。進(jìn)一步分析表明,電場(chǎng)改變了陽(yáng)離子的s或p軌道占據(jù),從而使得Г點(diǎn)的導(dǎo)帶底下移,這些半導(dǎo)體的導(dǎo)帶底最終均傾向于Г點(diǎn)。(3)研究了電場(chǎng)對(duì)多層纖鋅礦薄膜的臨界層數(shù)與電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用。結(jié)果表明,當(dāng)施加于z軸負(fù)方向的電場(chǎng)達(dá)到一定的量級(jí)時(shí),能夠顯著增加纖鋅礦薄膜原有的臨界層數(shù),使得原本的類(lèi)塊體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)轭?lèi)石墨結(jié)構(gòu)。電子結(jié)構(gòu)上,轉(zhuǎn)變?yōu)轭?lèi)石墨結(jié)構(gòu)后,體系從金屬態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體態(tài),并且表面原來(lái)富集的電荷也因結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變而消失。
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：O484;TN304
【圖文】：

良好的親水性、透光性等。MXenes 在電池、電容的應(yīng)用價(jià)值[31]。其他含有過(guò)渡金屬的二維材料有它3[33]和 WO3[34]等，層狀雙氫氧化物(LDHs)[35]，以及)[36]。中列出了現(xiàn)如今已知的一些典型二維材料，相信在研究和探索過(guò)程中，二維材料大家族會(huì)越來(lái)越壯大

層二維材料在厚度降到一定程度的情況下會(huì)轉(zhuǎn)化成石墨烯納米片結(jié)構(gòu)，即類(lèi)似石墨層狀的結(jié)構(gòu)，它們每一層之間由范德瓦耳斯力結(jié)合。單層的結(jié)構(gòu)也是石墨烯的六元環(huán)結(jié)構(gòu)，不同的是這種六元環(huán)由 2 種元素等量組成。文章認(rèn)為，發(fā)生這種轉(zhuǎn)變的原因是在超薄情況下體系會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，體系的電荷會(huì)導(dǎo)致陰陽(yáng)離子移動(dòng)到接近一個(gè)平面，使得它們從 sp3雜化變成 sp2雜化。值得注意的是，這種轉(zhuǎn)變對(duì)于每種不同的結(jié)構(gòu)是有不同的臨界厚度的，也就是在臨界厚度之下才能夠變成類(lèi)石墨結(jié)構(gòu)。能發(fā)生轉(zhuǎn)變的薄膜包括氧化物 ZnO 和 BeO，硫化物ZnS，第 III 主族氮化物 AlN、GaN 和 InN，這些都是目前研究的比較多的幾種材料，且發(fā)生結(jié)構(gòu)相變后的類(lèi)石墨結(jié)構(gòu)具有良好的熱力學(xué)性質(zhì)，可以應(yīng)用于多種領(lǐng)域。(a) (b)

-3 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的兩層 ZnO 薄膜的結(jié)構(gòu)相變，圖片來(lái)源于文獻(xiàn)論和實(shí)驗(yàn)都證明了纖鋅礦薄膜在超薄厚度下有向類(lèi)石墨結(jié)構(gòu)多科學(xué)工作者都研究過(guò)這種特性并發(fā)掘了其中的潛在價(jià)值。是在 2011 年美國(guó)猶他大學(xué)的劉峰教授團(tuán)隊(duì)發(fā)表的一篇關(guān)于文章[52]1。他們首先用理論計(jì)算論證了在晶格拉伸的條件下能薄膜材料(InN、GaN、ZnO、AlN、BeO、SiC)轉(zhuǎn)變?yōu)轭?lèi)石墨

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本文編號(hào)：2771394