近年來,對(duì)黑磷及過渡金屬硫化物等二維層狀結(jié)構(gòu)的研究逐漸興起。作為磷的三種同素異形體中最穩(wěn)定的黑磷,原子排列呈現(xiàn)出單層波紋狀結(jié)構(gòu),是一種典型的直接帶隙半導(dǎo)體材料。黑磷的禁帶寬度可從0.3eV調(diào)節(jié)到2eV,因而在可見光波段有較好的非線性光學(xué)響應(yīng),正好填補(bǔ)了零帶隙的石墨烯和較寬帶隙的過渡金屬硫化物之間的空白。目前,對(duì)于黑磷相關(guān)低維材料非線性光學(xué)性質(zhì)及響應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究已有很多報(bào)道,但是對(duì)其非線性光學(xué)的理論研究還比較欠缺。本文主要以緊束縛模型為基礎(chǔ),采用長(zhǎng)波近似方法研究了單層黑磷納米帶的能帶結(jié)構(gòu)和電子能態(tài);并在此基礎(chǔ)上,采用二階微擾理論推導(dǎo)出單層扶手型黑磷納米帶的雙光子吸收系數(shù)的表達(dá)式,獲得了電子的躍遷選擇定則。使用Matlab R2010b計(jì)算軟件,對(duì)不同邊界結(jié)構(gòu)的黑磷納米帶的電子能態(tài)以及扶手型黑磷納米帶的雙光子吸收譜進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和模擬;分析納米帶寬度和邊界對(duì)黑磷納米帶電子能態(tài)的影響,以及納米帶寬度和電子激發(fā)態(tài)弛豫能等參數(shù)對(duì)扶手型黑磷納米帶雙子吸收系數(shù)的影響。研究表明:(1)單層黑磷納米帶的電子能帶結(jié)構(gòu)一個(gè)方向上呈類拋物線連續(xù)態(tài),另一個(gè)方向呈離散態(tài);電子能帶結(jié)構(gòu)隨著納米帶寬度的增大,電子能譜線曲率增大,能級(jí)之間的間隔減小,載流子的能態(tài)密度增大,帶隙變窄;不論何種帶邊結(jié)構(gòu),其價(jià)帶能級(jí)和導(dǎo)帶能級(jí)有不同程度的對(duì)稱;對(duì)于鋸齒型邊界結(jié)構(gòu)的電子能態(tài),存在一個(gè)邊緣態(tài)能級(jí)。(2)在單層扶手型黑磷納米帶的各種躍遷雙光子吸收現(xiàn)象中,帶內(nèi)躍遷占主導(dǎo)地位;單層扶手型黑磷納米帶在可見光區(qū)具有較大的雙光子吸收系數(shù),大小約為10~(-6)m/W,比傳統(tǒng)半導(dǎo)體量子點(diǎn)的雙光子吸收系數(shù)大4個(gè)數(shù)量級(jí);單層扶手型黑磷納米帶在紅外波段存在一個(gè)巨大的雙光子吸收系數(shù),可以達(dá)到10~(-1)m/W;納米帶寬度和電子激發(fā)態(tài)弛豫能對(duì)調(diào)節(jié)扶手型黑磷納米帶的雙光子吸收系數(shù)起著很大的作用。本文的研究結(jié)果為黑磷的實(shí)驗(yàn)工作提供理論方向的參考,對(duì)非線性光學(xué)和光電器件等實(shí)際應(yīng)用提供了指導(dǎo)意義。
【學(xué)位單位】：云南師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN304
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 黑磷的發(fā)現(xiàn)
    1.2 黑磷的制備
        1.2.1 機(jī)械剝離
        1.2.2 液相剝離
        1.2.3 電化學(xué)法
        1.2.4 等離子刻蝕
        1.2.5 化學(xué)氣相輸運(yùn)
    1.3 黑磷的性質(zhì)
        1.3.1 載流子遷移率和開關(guān)比
        1.3.2 可調(diào)帶隙
        1.3.3 各向異性
        1.3.4 生物相容性
        1.3.5 非線性光學(xué)性質(zhì)
    1.4 黑磷的應(yīng)用
        1.4.1 在光電方面的應(yīng)用
        1.4.2 在儲(chǔ)能方面的應(yīng)用
        1.4.3 場(chǎng)效應(yīng)晶體管
        1.4.4 光電元件
        1.4.5 濕度和氣體傳感器
        1.4.6 生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用
    1.5 黑磷納米帶
    1.6 黑磷量子點(diǎn)
    1.7 本文的主要研究?jī)?nèi)容
第2章 單層黑磷電子能態(tài)結(jié)構(gòu)計(jì)算方法
    2.1 緊束縛模型
        2.1.1 四帶緊束縛模型
        2.1.2 約化二能帶緊束縛模型
        2.1.3 低能模型
        2.1.4 準(zhǔn)平坦帶
        2.1.5 邊緣態(tài)的波函數(shù)和能譜
    2.2 低能哈密頓量下單層黑磷在Г點(diǎn)附近的電子能態(tài)
        2.2.1 連續(xù)近似
        2.2.2 有效質(zhì)量近似
        2.2.3 朗道能級(jí)
    2.3 連續(xù)近似求解不同邊界結(jié)構(gòu)黑磷納米電子能態(tài)結(jié)構(gòu)
第3章 黑磷納米帶的電子能態(tài)
    3.1 扶手型邊界條件下的電子能態(tài)
        3.1.1 理論模型和計(jì)算
        3.1.2 計(jì)算結(jié)果與討論
    3.2 鋸齒型邊界條件下的電子能態(tài)
        3.2.1 理論模型和計(jì)算
        3.2.2 計(jì)算結(jié)果及討論
    3.3 邊界對(duì)黑磷納米帶帶隙的影響
        3.3.1 理論模擬與計(jì)算
        3.3.2 計(jì)算結(jié)果與討論
    3.4 本章小結(jié)
第4章 扶手型黑磷納米帶的雙光子吸收性質(zhì)
    4.1 雙光子吸收理論計(jì)算
    4.2 扶手型黑磷納米帶雙光子吸收性質(zhì)
    4.3 計(jì)算結(jié)果與討論
        4.3.1 扶手型黑磷納米帶雙光子吸收系數(shù)
        4.3.2 尺寸相關(guān)扶手型黑磷納米帶的雙光子吸收
        4.3.3 影響扶手型黑磷納米帶雙光吸收系數(shù)的其他物理量
    4.4 本章小結(jié)
第5章 總結(jié)與展望
    5.1 總結(jié)
    5.2 展望
參考文獻(xiàn)
攻讀碩士期間發(fā)表的論文和科研成果
致謝

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