伴隨著石墨烯的發(fā)現(xiàn),一個新的材料領—二維納米材料引起了人們廣泛關注。量子限域效應和量子尺寸效應的存在使得二維材料在力熱光電磁學等方面與其它傳統(tǒng)材料有著明顯的差異,顯示出獨特的物理性質(zhì):包括量子霍爾效應、拓撲絕緣體、常溫超導、自發(fā)磁化和各向異性的傳輸?shù)忍匦�。二維層狀材料在新型電子器件、電池、電致變色顯示、化妝品、催化劑和固體潤滑劑等許多方面有著一系列應用潛力。石墨烯由于其獨特的性能引起了科學家極大地研究興趣,它是目前為止被最廣泛研究的一種二維材料,具有極高的電導率、熱傳導性和高機械強度等。盡管如此,本征石墨烯不存在帶隙,這嚴重限制了該材料在電子及光電子器件方面的應用,即使經(jīng)過化學改性仍然只能獲得較小的帶隙值,且必須以犧牲其它性能為代價,這促使人們?nèi)ふ倚滦偷亩S材料。最近,Balushi等人通過遷移增強封裝生長:技術合成了二維氮化鎵,當其表面懸掛鍵被氫鈍化時,二維GaN可維持褶皺狀結構,且其帶隙值可從體相的3.4 eV增加至單層的5.0 eV。眾所周知,在半導體的應用領域,對本征半導體材料進行摻雜是改變半導體特性的重要手段。例如IuxGa1-xN塊體半導體合金的帶隙可從0.7 eV(InN)連續(xù)可調(diào)至3.4 eV(GaN)并且始終保持直接帶隙特性。然而由于存在比較大的晶格失配(10%),在塊體合金中很容易出現(xiàn)相分離。那當從塊體變化到二維多層時,三元InGaN合金的性質(zhì)會有什么不同?為了回答上述問題,本論文采用基于密度泛函理論的第一性原理計算結合半經(jīng)驗范德華色散校正的計算方法,系統(tǒng)研究了二維多層及單層GaN、InN及InxGa1-xN合金的結構和電學性質(zhì):首先我們計算了本征二維GaN、InN的晶格常數(shù)、形成能及帶隙隨層數(shù)的變化趨勢。計算結果表明相比GaN,二維InN晶格常數(shù)更敏感依賴于層的厚度;在沒有H原子鈍化的情況下,二維GaN和InN呈平面狀構型,其能帶擁有間接帶隙特性;表面經(jīng)過H原子鈍化后,穩(wěn)定結構呈褶皺狀且轉變?yōu)橹苯訋栋雽w;此外,我們注意到二維氮化物本征半導體的穩(wěn)定性隨著薄膜厚度的減小而降低。在此基礎上我們研究了層的厚度對InxGa1-xN合金中褶皺和平面狀兩種構型的晶格常數(shù)、混合焓和帶隙的影響。我們預測被H鈍化的褶皺狀IuxGa1-xN合金的帶隙可從5.6 eV變化0.7 eV,同時保留了直接帶隙和較好的布洛赫特性,使其成為未來發(fā)光應用的候選材料。此外,由于減少了幾何約束,相偏析也被有效抑制。相反,合金元素無序分布導致平面狀構型產(chǎn)生嚴重的晶格畸變,從而失去了價帶的布洛赫特性,而合金元素有序的平面合金構型盡管保持了布洛赫特性,但混合焓最高因此難以合成。
【學位單位】：西安理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TN304
【部分圖文】：

西安理工大學碩士學位論文還考慮了泛函與占據(jù)軌道之間的關系，這種方法通常含有部分精求解 Hatree-Fock 方程時可以提高計算精度。但同樣也會增加計算表達方式可以寫為： GGACGGAXexactXCXE aE 1 aE E到的雜化密度泛函為 HSE06 方法，其精確交換作用能所占比例為 關聯(lián)能的泛函形式被明確指定后，可經(jīng)過前面介紹的 Kohn-Sham 算。先以猜測的方式給出體系的波函數(shù)以及電荷密度分布函數(shù)來開定哈密頓量的各分解部分，將此電荷密度代入 Kohn-Sham 方程，得步驟二得到單粒子波函數(shù)從而確定電荷密度，然后由此確定該體系想要得到的物理量。圖 2-2 給出了自洽計算流程圖。

鋅礦結構為基態(tài)穩(wěn)定結構[61,62]，空間群是 P63mc，其晶胞由 Ga(In)和 N 兩套不六方密堆積晶格嵌套組成，GaN(InN)原胞內(nèi)包含兩個 Ga(In)原子和兩個 N 原子型中沿著[001]方向作切割可得到二維 GaN 褶皺狀結構，二維平面狀 GaN 與 In石墨烯結構的六角蜂窩結構，每個原胞包含一個 Ga（In）原子和一個 N 原子aN 與 InN 材料結構優(yōu)化和電子結構計算使用維也納從頭模擬包 VASP 來實現(xiàn)間的相互作用使用投影綴加波贗勢（PAW）描述，計算中密度泛函擬采用 PB函、準粒子近似 GW 方法和 HSE 雜化密度泛函三種方法。其中雜化密度泛函部 Hartree-Fock 交換泛函，75㳠為半局部交換泛函。屏蔽參數(shù)為 0.2 -1，平面為 400 eV，總能計算的收斂標準不大于 1×10-6eV，在對布里淵區(qū)域積分進行采取網(wǎng)格使用 2pi*0.04 -1的倒易空間 Monkhorst-Pack 方案。在幾何優(yōu)化中，原和內(nèi)部結構參數(shù)都被完全展寬為每個原子上的殘余力小于 0.01 eV / 。此外，通過范德瓦爾斯相互作用結合，我們通過 Grimme 的 DFT-D2 方法的半經(jīng)驗修正。在沿 z 軸坐標方向添加 15 的真空層以用來忽略由于周期性邊界條件的存層之間的相互作用。分別建立褶皺狀與平面狀兩種結構。最后以單層為基礎構建GaN 與 InN 模型, 優(yōu)化其幾何結構, 并研究其電子結構性質(zhì)。

(c) (d)PBE、HSE06 計算得到的形成能，(a)、(b)表示褶皺狀的 GaN、InN，(c)、(d)表示平面狀的 GaN藍色和紅色分別為 PBE 和 HSE06 方法計算結果。g.3-2 Calculated formation enthalpy Ef(in eV/fu) for buckled and planar few-Layer nitrides using PHSE06 approaches respectively.從圖中可以發(fā)現(xiàn)，被 H 原子鈍化的單層褶皺狀的 GaN（InN）的形成能比相應的87 eV（1.28eV），同時在多層體系的情況下具有相同的趨勢，這說明被 H 原子狀二維 GaN 與 InN 材料比對應的平面構型更加穩(wěn)定。從如圖 3-2(b)和(d)我們發(fā)N 褶皺狀和平面狀兩種結構的形成能都具有正值，但這并不意味著低維 InN 不能，因為化合物的形成還與外部生長條件有關，如壓力，溫度和應變等。最近就有報道了通過射頻等離子體輔助分子束外延技術以 GaN 作為基底成功合成了的單阱。這些 InN / GaN 多量子阱在室溫下可穩(wěn)定存在并可用于制造近紫外激光器[54]3 二維材料不同堆垛形式對穩(wěn)定性的影響層狀二維材料可以存在多種堆垛構型，且不同的堆垛構型會影響層狀材料的物理比較堆垛構型對穩(wěn)定性的影響，我們研究了平面雙層 GaN 和 InN 在 AA 和 AB 型的情況。對于 AA 堆垛構型上層 N（Ga）原子在下層 N（Ga）原子的正上方；

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