發(fā)布時(shí)間：2020-10-24 04:01

　　 第四族單硫族化合物(GeSe、SnSe、GeS、SnS)具有非常優(yōu)異的光電子性質(zhì),受到了研究的廣泛關(guān)注。在這四種化合物的單層結(jié)構(gòu)中,只有GeSe單層是具有直接帶隙的半導(dǎo)體,且具有優(yōu)異的光學(xué)性能。最近幾個(gè)原子層和單層的錫化鍺已通過機(jī)械剝離和激光減薄技術(shù)被制備成功。在此基礎(chǔ)上的二維GeSe的光電性能研究和器件設(shè)計(jì)成為將來應(yīng)用的關(guān)鍵,是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。本文基于密度泛函的第一性原理計(jì)算方法,首先開展了單層GeSe的電子和光學(xué)性質(zhì)研究。通過雜化泛函計(jì)算證實(shí)了單層GeSe具有1.71eV的直接帶隙,載流子遷移率達(dá)到了10~3數(shù)量級(jí),光學(xué)吸收系數(shù)可達(dá)10~5cm~(-1),具有優(yōu)良的半導(dǎo)體器件應(yīng)用前景。通過不同方式的堆垛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),發(fā)現(xiàn)AA、AC堆垛具有間接帶隙,而AB、AD堆垛則擁有直接帶隙;研究還表明,AB堆垛的雙原子層GeSe在沿鋸齒型方向施加單軸應(yīng)變可在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)直接帶隙的寬度。在研究單層GeSe和雙層堆垛的基礎(chǔ)上,通過構(gòu)建異質(zhì)結(jié)來探索單層GeSe的光電應(yīng)用。計(jì)算設(shè)計(jì)了由單層GeSe和石墨烯構(gòu)成的異質(zhì)結(jié),發(fā)現(xiàn)它們可以形成肖特基接觸。在構(gòu)成的GeSe/graphene異質(zhì)結(jié)中,能帶計(jì)算發(fā)現(xiàn)單層GeSe的直接帶隙和石墨烯的狄拉克錐可以保持。通過調(diào)控層間距,發(fā)現(xiàn)GeSe/graphene異質(zhì)結(jié)的肖特基勢(shì)壘高度可以得到調(diào)節(jié),并且石墨烯打開了0.17eV的帶隙。發(fā)現(xiàn)施加電場(chǎng)和應(yīng)變都能調(diào)節(jié)GeSe/graphene異質(zhì)結(jié)的肖特基勢(shì)壘高度及接觸類型,可作為肖特基器件應(yīng)用。關(guān)注單層GeSe和同族化合物單層構(gòu)成的異質(zhì)結(jié),通過計(jì)算設(shè)計(jì)了由單層GeSe和單層SnSe組成的異質(zhì)結(jié)。計(jì)算發(fā)現(xiàn)GeSe/SnSe二維異質(zhì)結(jié)具有第II類型的能帶,能帶大小為0.89eV,具有較高的光學(xué)吸收系數(shù)。理論計(jì)算表明,GeSe/SnSe二維異質(zhì)結(jié)的光電轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到21.47%,高于二硫化鉬和黑磷構(gòu)成的二維異質(zhì)結(jié)。計(jì)算表明,設(shè)計(jì)的GeSe/SnSe二維異質(zhì)結(jié)的空穴的載流子遷移率可以達(dá)到10~4 cm~2V~(-1)s~(-1)。具有第II類型能帶、高光電轉(zhuǎn)換效率、高載流子遷移率的GeSe/SnSe二維異質(zhì)結(jié)在太陽(yáng)能電池應(yīng)用方面具有應(yīng)用前景。
【學(xué)位單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN30
【部分圖文】：

經(jīng)低至 8nm（大約對(duì)應(yīng)于 12 個(gè)原子層），但依然不能達(dá)到單層或者幾微米級(jí)。最近，在真空中通過激光剪薄法成功的在 SiO2 / Si 襯底上制備出單層和少層GeSe[22]。圖 1.1 中顯示出了材料的厚度的大小以及組成元素的比例，可以確定已經(jīng)得到純的二維 GeSe。但是用這種方法制備出的單層 GeSe 并不是大面積的，而是單層和多層的混合物，并且還有很多缺陷的存在，因此，單層 GeSe 的實(shí)驗(yàn)制備還需要進(jìn)一步探索。目前，主要是從理論層面來研究二維 GeSe，通過理論預(yù)測(cè)它可能具有五種同素異形體[30]。并且通過聲子譜計(jì)算發(fā)現(xiàn)都沒有虛頻的存在，因此是動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的。通過結(jié)合能的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在這五種同屬異形體中，與黑磷同結(jié)構(gòu)的α-GeSe具有最低的結(jié)合能，因此α-GeSe 應(yīng)該是最為穩(wěn)定的相位[30]。而這種結(jié)構(gòu)也是被研究最多的一種.[32, 33]。但是，對(duì)于其他的結(jié)構(gòu)，如 2D β-GeSe 也可以在實(shí)驗(yàn)中制備出。Rohr 等人[29]在六萬大氣壓下將α-GeSe 加熱到 1200 度后，其不僅演變成椅子狀的結(jié)構(gòu)，更有一部分演變?yōu)榇徒Y(jié)構(gòu)的β-GeSe。而不同的結(jié)構(gòu)，它的電學(xué)性能不同。β-GeSe 具有比石墨烯和黑磷更好的電學(xué)性質(zhì)，而且層間距低，結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定。

圖 1.2 (a)塊體 GeSe 的能帶結(jié)構(gòu)。(b)單層 GeSe 的能帶結(jié)構(gòu)。(c)在 550 至 850nm 的可見波段中 GeSed 的 PL 光譜[22]。1.2.3 二維 GeSe 的光學(xué)性質(zhì)通過理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)單層和少層 GeSe 具有極好的光學(xué)性質(zhì)[28]。在理論中，使用光吸收系數(shù)來衡量材料對(duì)光吸收的效率以及吸收的范圍。如圖 1.3 (a)所示，通過第一性原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)在可見光范圍內(nèi)，單層 GeSe 具有高的光吸收系數(shù)，達(dá)到了 10-5cm-1，并且光吸收范圍在 300-1000nm 附近，包含了可見光光譜的范圍，并且在藍(lán)光光譜范圍內(nèi)吸收最強(qiáng)[38]。而且光吸收系數(shù)隨著方向的不同而大小不同，顯示出了單層 GeSe 具有各向異性的特點(diǎn)。這種各向異性的特點(diǎn)可以設(shè)計(jì)出新奇的光電設(shè)備，如通過控制入射光的偏振方向來調(diào)節(jié)等離子體的共振頻率，主要應(yīng)用于偏光器，極化傳感器等。通過對(duì)單層 GeSe 的光吸收率計(jì)算發(fā)現(xiàn)，單層GeSe 的光吸收率達(dá)到了 40%以上，而它的雙層結(jié)構(gòu)的光吸收率為也為 40%以上[28]。因此，從理論分析可以發(fā)現(xiàn) GeSe 在光電池領(lǐng)域中可能具有非常好的應(yīng)用前

GeSe 薄膜太陽(yáng)能電池模擬圖。(b)GeSe 薄膜太陽(yáng)能電池的反向 J-V 曲線。(c池的 EQE 譜，(d)在常溫下隨著時(shí)間變化的 PCE 值[39]。維 GeSe 的載流子遷移率電領(lǐng)域使用中，一般對(duì)于一個(gè)材料的評(píng)價(jià)有兩個(gè)重要的指標(biāo)，一個(gè)是載流子遷移率。較寬的帶隙和較高的載流子遷移率是電子和光電的。而很多材料都不能滿足合適的帶隙和高的載流子遷移率。因此方法來調(diào)節(jié)或者彌補(bǔ)這種缺陷。對(duì)于單層 GeSe，具有較為寬的直從理論分析發(fā)現(xiàn)它具有高的載流子遷移率[38, 41]。如下表所示，首先有效質(zhì)量在不同的方向數(shù)值不同，因此 GeSe 載流子遷移率是各向單層 GeSe 的有效質(zhì)量較小，而載流子遷移率是和有效質(zhì)量是成反比了單層 GeSe 的載流子遷移率較大。而 GeSe 的電子的載流子遷移率4866.99cm2V-1s-1，在 y 方向?yàn)?6.4×104cm2V-1s-1。而空穴的載流子向?yàn)?371.902cm2V-1s-1，在 y 方向?yàn)?242.131cm2V-1s-1。因此 GeSe
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