【摘要】：很長一段時間,那些“迷人”但同時“不尋�！钡奈锢眍A(yù)測有時只是用于新奇理論思維實驗的模型,以考慮宇宙的起源,甚至只可以在學(xué)生的課程中展示。這可以被稱之為'前石墨烯'時代。自從十多年石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來,二維層狀材料因其展現(xiàn)出了許多理論預(yù)測的奇特物理和化學(xué)現(xiàn)象吸引了研究者們的極大關(guān)注,并一直是材料研究的焦點之一。雖然這種材料的制備過程是簡單的“一小步”——使用透明膠帶進行機械剝離,但石墨烯的誕生所帶來技術(shù)的進步實際上是科學(xué)發(fā)展歷程中的“一大步”。二維層狀材料中的每一層內(nèi)由共價鍵結(jié)合的無懸掛鍵的原子結(jié)構(gòu)組成,并且通過范德瓦爾斯相互作用與相鄰層弱結(jié)合。這使得分離、混合和匹配不同種類的原子層以制備各種類型的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)變得更加容易,而不受晶格匹配和處理兼容性的限制。利用不同二維金屬、半半導(dǎo)體或絕緣體材料疊合所形成的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)可以用來設(shè)計許多電子器件,包括隧道晶體管、晶閘管、柔性電子器件以及包括光電探測器、光伏器件和發(fā)光器件的光電器件,這些器件展現(xiàn)出了許多前所未有的特性與獨特的功能。然而,對范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的研究中依然存在許多問題與機理需要澄清。本論文主要通過采用第一性原理計算等研究方法對范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)中電子結(jié)構(gòu)、載流子遷移率以及部分力學(xué)性能等進行模擬計算研究。本研究的主要內(nèi)成果如下:1)針對具有一定厚度的薄膜材料體系,對基于與形變勢能理論的載流子計算公式進行了重新的修正推導(dǎo),同時結(jié)合全新開發(fā)的大體系第一性原理計算程序RESCU,研究了二維六方氮化硼包覆的二維硒化銦范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)中的聲子散射限制的載流子遷移率,其中最大的計算體系包含了 2200余個原子。研究表明,相比未包覆的二維硒化銦材料,六方氮化硼的包覆提升了異質(zhì)結(jié)構(gòu)的彈性勁度系數(shù),影響了其中聲子散射的狀態(tài),從而解釋了實驗中觀察到的異質(zhì)結(jié)構(gòu)載流子遷移率的極大提升。本研究揭示了二維范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)中力學(xué)性能的改變對材料中基于聲子散射限制的載流子遷移率的提升有著至關(guān)重要的作用,此結(jié)論可以適用于其他同類型的二維范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)構(gòu)中。2)研究了隨扭轉(zhuǎn)角度變化的雙層扭轉(zhuǎn)黑磷莫列超晶格中的電子結(jié)構(gòu)以及載流子遷移率。研究發(fā)現(xiàn),莫列超晶格結(jié)構(gòu)的形成對體系電子結(jié)構(gòu)有著極大的影響,并導(dǎo)致了實空間中電輸運極強的各向異性。莫列超晶格結(jié)構(gòu)中共存的不同高對稱堆疊方式可以看做一種周期性存在的雜質(zhì),而這種'莫列雜質(zhì)'引發(fā)了電子結(jié)構(gòu)中的平能帶以及載流子波函數(shù)的實空間局域化分布,進而顯著地影響了載流子遷移率。此外,扭轉(zhuǎn)角度的變化改變了莫列雜質(zhì)大小,進而對局域化分布的波函數(shù)交疊程度產(chǎn)生了極大的影響,因此可以有效調(diào)控結(jié)構(gòu)體系中的載流子遷移率大小。3)研究了在單軸拉仲應(yīng)力作用下的理想結(jié)構(gòu)的雙層扭轉(zhuǎn)黑磷莫列超晶格中的電子結(jié)構(gòu)變化及斷裂失效過程。研究發(fā)現(xiàn),由于結(jié)構(gòu)體系的各向異性導(dǎo)致了沿不同方向拉仲所呈現(xiàn)的力學(xué)性能及電子結(jié)構(gòu)變化的不同。當應(yīng)力沿手扶椅方向施加時,在結(jié)構(gòu)斷裂失效之前(應(yīng)變約為25%)體系依然可以保持與未拉仲伸狀態(tài)下差別不大的穩(wěn)定的空穴載流子有效質(zhì)量以及直接禁帶半導(dǎo)體性質(zhì)。通過對載流子波函數(shù)的實空間分布的研究可以發(fā)現(xiàn),莫列雜質(zhì)所帶來了的波函數(shù)局域化分布降低了電子結(jié)構(gòu)性能對應(yīng)力的敏感程度。此外,對材料體系斷裂失效的研究發(fā)現(xiàn),非均質(zhì)結(jié)構(gòu)帶來的層內(nèi)結(jié)合強度不均導(dǎo)致裂紋初始優(yōu)先形成于各高對稱堆疊方式的交界處。這種層內(nèi)結(jié)合強度分布的差異與層間相互作用的強弱具有一定關(guān)聯(lián)。
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O613.62;O641.1
【圖文】：

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本文編號：2770456