發(fā)布時(shí)間：2020-04-19 03:46

【摘要】：硅烯是一種擁有扣蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)的新型類(lèi)石墨烯二維材料,與石墨烯完美的平面結(jié)構(gòu)不同的是硅烯的單原子層是由翹曲高度為0.44 A的兩層等價(jià)硅原子構(gòu)成。硅烯和石墨烯一樣,擁有優(yōu)良的電子性能,而且能與當(dāng)今以硅為基底的半導(dǎo)體技術(shù)相兼容。目前,在超高真空條件下已經(jīng)成功的在基底Ag(111)、ZrB2(0001)、MoS2(0001)和Ir(111)表面上合成了單層硅烯。硅烯與石墨烯一樣是具有零帶隙的半導(dǎo)體,考慮電子自旋軌道耦合效應(yīng)的帶隙也僅為1.55 meV。為了充分利用硅烯優(yōu)良的電子性能,如何打開(kāi)其帶隙的問(wèn)題得到了廣泛的關(guān)注。本論文采用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法,系統(tǒng)地研究了單邊鹵化硅烯Si2X1(X=F、C1、Br、I)的結(jié)構(gòu)、電子和磁性質(zhì),并探討了應(yīng)變對(duì)單邊鹵化硅烯電子性質(zhì)的調(diào)控機(jī)理,得到的主要結(jié)論有:1.通過(guò)分析單邊鹵化硅烯Si2X1(X=F、C1、Br、I)的計(jì)算結(jié)果,發(fā)現(xiàn)鹵素原子與硅烯以成sp3鍵角的方式相結(jié)合。鹵素原子從相鄰的Si原子處得到電子,并與該原子形成σ共價(jià)鍵。鹵素原子的單邊吸附使得硅烯的蜂窩狀結(jié)構(gòu)中翹曲高度更高。形成能的計(jì)算表明,單邊鹵化硅烯具有比純硅烯更好的熱力學(xué)穩(wěn)定性。其中,單邊氟化硅烯Si2F1的形成能最低,表明其更有利于形成新型的儲(chǔ)氟材料。單邊鹵化硅烯Si2X1(X=C1、Br、I)表現(xiàn)為半金屬性質(zhì),每個(gè)原胞擁有接近1μB的總磁矩,它們?cè)诠杌{米自旋電子學(xué)領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。2.對(duì)單邊鹵化硅烯Si2X1(X=F、C1、Br、I)施加對(duì)稱(chēng)的彈性拉伸應(yīng)變,發(fā)現(xiàn)當(dāng)應(yīng)變?cè)黾拥?2.9%時(shí),單邊氟化硅烯Si2F1由金屬性轉(zhuǎn)變?yōu)榘虢饘傩浴６鴮?duì)于其它單邊鹵化硅烯Si2X1(X=C1、Br、I),隨著對(duì)稱(chēng)應(yīng)變的增加,出現(xiàn)半金屬-半導(dǎo)體-半金屬-金屬性質(zhì)的轉(zhuǎn)變。自旋分裂能帶的導(dǎo)帶底(CBM)和價(jià)帶頂(VBM)的電荷密度說(shuō)明了能帶結(jié)構(gòu)在對(duì)稱(chēng)應(yīng)變下的轉(zhuǎn)變。單邊氟化硅烯Si2F1的總磁矩隨著拉伸應(yīng)變的增加從最初的0μB單調(diào)增加到1μB。這一結(jié)果表明了單邊氟化硅烯受應(yīng)變調(diào)制的電子和磁效應(yīng)。施加非對(duì)稱(chēng)應(yīng)變時(shí),單邊溴化硅烯Si2Br1的能帶結(jié)構(gòu)具有與對(duì)稱(chēng)應(yīng)變類(lèi)似的能帶轉(zhuǎn)變特征,但在平行于鋸齒型或扶手椅型兩個(gè)方向由應(yīng)變誘導(dǎo)的能帶變化的速度和幅度具有差異。泊松比在兩個(gè)方向上的不同反映了這種帶隙變化的各向異性。
【圖文】：

兼容的遺憾。目前，在超高真空條件下已經(jīng)成功的在基底Ａｇ（ｍ）［７＿１３］，逡逑ＺｒＢ２（０００１）［１４］，Ｍ0Ｓ２（０００１）［１５＿邋Ｉｒ（ｌｌｌ）［ｌ６］表面上合成了單層硅烯。逡逑如圖１．１（ａ）和（ｂ）所示，與石墨烯完美的平面結(jié)構(gòu)不同的是硅烯的單原子層是逡逑由翹曲高度為０．４４邋Ａ的兩層等價(jià)硅原子組成。并且在２０１５年，實(shí)驗(yàn)研究員在室逡逑溫下成功地制備了以硅烯為導(dǎo)電通道的硅烯場(chǎng)效應(yīng)晶體管，并在室溫下測(cè)試了其逡逑導(dǎo)電性能，提出傳統(tǒng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ＦＥＴ）需要具有相當(dāng)大帶隙的半導(dǎo)體材料以逡逑獲得優(yōu)異的開(kāi)關(guān)能力和高開(kāi)／關(guān)比［１７］。但是硅烯遇到與石墨烯相同的問(wèn)題：零帶逡逑隙。這不符合傳統(tǒng)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管對(duì)擁有可觀帶隙的半導(dǎo)體溝道材料的需求。幸逡逑運(yùn)的是，與石墨烯相比，硅烯由于其扣狀晶格結(jié)構(gòu)而具有更好的帶隙可調(diào)控性［１８］。逡逑這也激勵(lì)了很多研究者們致力于探索打開(kāi)硅烯帶隙的方法。硅烯的表面敏感性起逡逑源于其ｓｐ２－ｓｐ３混合特性［｜ｑ］。因此，從材料合成到器件制造的整個(gè)過(guò)程都需要對(duì)逡逑硅烯進(jìn)行有效地鈍化或封裝［１７］。逡逑（ｂ）ｔｅ邋ｉ邐ｉ邐ｉ逡逑圖１．１單層硅烯的俯視結(jié)構(gòu)圖（ａ）和側(cè)視結(jié)構(gòu)圖（ｂ），（ｃ）為硅烯的能帶圖１２４１逡逑與石墨烯相比，硅烯更柔軟，其面內(nèi)剛度僅為２０％，幾乎是泊松比的兩倍［

向承受２４％的極限拉伸應(yīng)變，，而且硅烯的氫化或脫氫對(duì)極限拉伸強(qiáng)度的影響是很逡逑小的［２１］。Ｚｈａｏ和Ｍｏｈａｎ的研究都說(shuō)明了通過(guò)施加不同的應(yīng)變能夠誘導(dǎo)硅烯打開(kāi)逡逑帶隙［２２＿２３］。如圖１．１（ｃ）所示，利用密度泛函（ＤＦＴ）理論對(duì)硅烯的電子能帶結(jié)構(gòu)逡逑進(jìn)行計(jì)算（不包１括自旋軌道耦合）［２４］，發(fā)現(xiàn)硅烯表現(xiàn)為零帶隙的半導(dǎo)體特征，其逡逑導(dǎo)帶底（ＣＢＭ）和價(jià)帶頂（ＶＢＭ）在第一個(gè)布里淵區(qū)Ｋ點(diǎn)相接觸，構(gòu)成一個(gè)零逡逑能量間隙的狄拉克錐；而自旋軌道相互作用在硅烯［２５］的狄拉克點(diǎn)處打開(kāi)了一個(gè)約逡逑為１．５５邋ｍｅＶ的基本能隙。逡逑１．２單層硅烯的制備逡逑１．２．１娃稀在Ａｇ（ｌｌｌ）襯底表面的合成逡逑盡管硅烯的理論預(yù)測(cè)在２００４年的時(shí)候就被提出，但是實(shí)驗(yàn)上的合成在２０１２逡逑年才發(fā)生突破。由于硅在氧化時(shí)的靈敏性，所以單層硅稀的制備必須在超高真空逡逑（ＵＨＶ）環(huán)境中進(jìn)行。用分子束外延（ＭＢＥ）的方法在Ａｇ（ｌｌｌ）上控制生長(zhǎng)硅層，逡逑純凈的Ａｇ（ｌｌｌ）襯底通過(guò)重復(fù)的氬離子濺射和退火工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，然后熱蒸發(fā)純Ｓｉ逡逑源的將硅沉積在襯底上。當(dāng)時(shí)，Ｌｅ邋Ｌａｙ組［７］、Ｗｕ組［８－９］、Ｔａｋａｇｉ和Ｋａｗａｉ組網(wǎng)逡逑等組幾乎同時(shí)報(bào)道了在Ａｇ（ｌｌｌ）基底上成功地修復(fù)了單層的硅烯。與通常顯示蜂逡逑窩狀、非重構(gòu)表面的石墨烯相比
【學(xué)位授予單位】：湘潭大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：O562.2

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本文編號(hào)：2632894