伴隨著石墨烯的發(fā)現(xiàn),一個新的材料領(lǐng)—二維納米材料引起了人們廣泛關(guān)注。量子限域效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)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(yīng)、拓撲絕緣體、常溫超導(dǎo)、自發(fā)磁化和各向異性的傳輸?shù)忍匦浴６S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(yīng)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(dǎo)率、熱傳導(dǎo)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(yīng)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(shù)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(jié)構(gòu),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(dǎo)體的應(yīng)用領(lǐng)域,對本征半導(dǎo)體材料進行摻雜是改變半導(dǎo)體特性的重要手段。例如IuxGa1-xN塊體半導(dǎo)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(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)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(gòu)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(jié)構(gòu)呈褶皺狀且轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋栋雽?dǎo)體;此外,我們注意到二維氮化物本征半導(dǎo)體的穩(wěn)定性隨著薄膜厚度的減小而降低。在此基礎(chǔ)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(gòu)型的晶格常數(shù)、混合焓和帶隙的影響。我們預(yù)測被H鈍化的褶皺狀I(lǐng)uxGa1-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(yīng)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(dǎo)致平面狀構(gòu)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(gòu)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(guān)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(guān)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(jié)構(gòu)為基態(tài)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)[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(jié)構(gòu)，二維平面狀 GaN 與 In石墨烯結(jié)構(gòu)的六角蜂窩結(jié)構(gòu)，每個原胞包含一個 Ga（In）原子和一個 N 原子aN 與 InN 材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化和電子結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)。最后以單層為基礎(chǔ)構(gòu)建GaN 與 InN 模型, 優(yōu)化其幾何結(jié)構(gòu), 并研究其電子結(jié)構(gòu)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(jié)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(yīng)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(yīng)的平面構(gòu)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(jié)構(gòu)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(guān)，如壓力，溫度和應(yīng)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(shù)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(gòu)型，且不同的堆垛構(gòu)型會影響層狀材料的物理比較堆垛構(gòu)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(gòu)型上層 N（Ga）原子在下層 N（Ga）原子的正上方；

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本文編號：2810346