【摘要】：單層過(guò)渡金屬硫化物是繼石墨烯之后發(fā)現(xiàn)的又一類(lèi)二維原子晶體,典型代表就是二硫化鉬(MoS_2),成為半導(dǎo)體物理及相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。單層二硫化鉬由一層鉬原子嵌入兩層硫原子所形成的一個(gè)六角形的二維晶體結(jié)構(gòu)。與多層結(jié)構(gòu)和體材料的MoS_2不同,單層MoS_2是一種反演對(duì)稱(chēng)破缺的直接帶隙半導(dǎo)體,導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂都處于六角形Brillouin區(qū)的K點(diǎn)和K'點(diǎn)兩個(gè)不等價(jià)位置,有K谷和K'谷兩個(gè)自由度。單層MoS_2具有奇特的光學(xué)性質(zhì)和激子性質(zhì),并且二者密切相關(guān)。光學(xué)性質(zhì)主要就是光激發(fā)產(chǎn)生谷極化:電子自旋和谷相互鎖定,使K谷和K'谷分別對(duì)左旋和右旋的圓偏振光產(chǎn)生很強(qiáng)的光吸收,這就是谷極化(即光學(xué)選擇定則)。激子是在光激發(fā)中產(chǎn)生的,單層材料中的激子有很大的束縛能,在0.5至1eV之間,一般說(shuō)來(lái)比半導(dǎo)體量子阱的激子束縛能大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。單層MoS_2極薄(只有約3?),具有復(fù)雜的電子一空穴相互作用和非局域介電屏蔽,在長(zhǎng)程情形,有效相互作用與庫(kù)侖作用相似,屏蔽源自周?chē)橘|(zhì);而在短程情形,屏蔽主要由二維材料決定,有效勢(shì)靠近零點(diǎn)時(shí)呈對(duì)數(shù)形式發(fā)散;結(jié)果就是電子和空穴因很強(qiáng)的庫(kù)侖力形成束縛能很大的激子(exciton),影響光電子設(shè)備的光學(xué)運(yùn)輸和電子遷移性質(zhì)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量的光吸收譜和熒光譜中有明顯的激子峰和荷電激子(trion)峰標(biāo)志,這些光譜實(shí)際上是由帶間躍遷過(guò)程中激子的吸收與復(fù)合決定的。本文的主要研究工作包括:(一)使用平面波展開(kāi)方法求解二維激子的Wannier方程。利用平面波構(gòu)成的基函數(shù)組的正交完備性,將實(shí)空間的Wannier方程變換成動(dòng)量空間的(實(shí)對(duì)稱(chēng)矩陣)線性代數(shù)久期方程,然后使用對(duì)角化技術(shù)(QR算法)進(jìn)行數(shù)值求解,從而獲得激子的基態(tài)和一系列激發(fā)態(tài),包括能級(jí)和相應(yīng)的波函數(shù),并進(jìn)一步計(jì)算出激子束縛能。在文中將這種方法稱(chēng)為二維數(shù)值方法。這種方法計(jì)算出的單層MoS_2的激子基態(tài)(n = 1,m = 0)束縛能是0.530 eV,第一激發(fā)態(tài)(n = 2,m = ±1)是二重簡(jiǎn)并,束縛能為0.292 eV,第二激發(fā)態(tài)(n = 2,m = 0)的束縛能是0.234 eV。(二)鑒于平面波展開(kāi)法的計(jì)算效率低,我們將二維Wannier方程簡(jiǎn)化為一維徑向方程之后,使用四階Runge-Kutta方法數(shù)值求解。利用如上所提的二維晶體中電子-空穴相互作用(漸近表達(dá)式)和介電屏蔽特性,獲得激子態(tài)的邊界條件,可巧妙地將本征值問(wèn)題的二維數(shù)值求解轉(zhuǎn)化為一維數(shù)值求解,使激子能級(jí)和波函數(shù)以及激子束縛能的計(jì)算快速準(zhǔn)確。在文中將這種方法稱(chēng)為一維數(shù)值方法。利用一維數(shù)值方法計(jì)算出的單層MoS_2的激子基態(tài)束縛能為0.555 eV,第一和第二激發(fā)態(tài)的束縛能分別為0.318 eV和0.258 eV。(三)基于以上數(shù)值計(jì)算的結(jié)果,并分析了二維類(lèi)氫原子的波函數(shù)形式,我們進(jìn)一步構(gòu)建了二維激子基態(tài)以及第一和第二激發(fā)態(tài)的解析波函數(shù)。然后利用變分法得到的激子能量和波函數(shù)與一維數(shù)值方法的結(jié)果對(duì)比,很好地相符,從而確證了激子解析波函數(shù)的準(zhǔn)確性。解析波函數(shù)使對(duì)激子的相關(guān)計(jì)算(如計(jì)算激子束縛能,激子-聲子散射和激子弛豫等)變得簡(jiǎn)單方便。(四)研究了二維激子在外電場(chǎng)下的Stark效應(yīng)。此情形激子的有效哈密頓量依賴(lài)角度(電場(chǎng)方向),所以不能像零電場(chǎng)情形那樣將二維激子方程簡(jiǎn)化為一維徑向方程,但我們?nèi)匀豢梢允褂闷矫娌ㄕ归_(kāi)方法,將激子方程變換成關(guān)于復(fù)數(shù)厄密矩陣的本征方程,然后使用對(duì)角化方法進(jìn)行數(shù)值求解。計(jì)算所得的激子基態(tài)能級(jí)紅移,這是一個(gè)二級(jí)Stark效應(yīng),能量的移動(dòng)與場(chǎng)強(qiáng)F成平方關(guān)系,激子極化率∈1= 5.6 × 10-18 eV(m/V)~2,并且在電場(chǎng)強(qiáng)度f(wàn) = 20 V/μm,基態(tài)的能移僅僅是1個(gè)毫電子伏特,與他人的結(jié)果相符;2p態(tài)和2s態(tài)也發(fā)生紅移,但其極化率比基態(tài)的大(∈2p1= 9.2 × 10-17 eV(m/V)~2,∈~(2p~2) = 2.9 × 10-17 eV(m/V)~2,∈~(2s) = 5.0 × 10-17 eV(m/V)~2)。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：O47
【圖文】：

1.1 二硫化鉬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)半導(dǎo)體材料起源于 18 世紀(jì) 30 年代，但是真正在實(shí)際中應(yīng)用的時(shí)間是在 19世紀(jì) 50 年代——晶體管的發(fā)明以及集成電路的研制成功。在當(dāng)今社會(huì)，半導(dǎo)體同人們的生活和工作密切相聯(lián)。半導(dǎo)體聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)生硬，甚至有的人不知道半導(dǎo)體是什么；不過(guò)人們每天使用的手機(jī)、電腦等電子產(chǎn)品里都有半導(dǎo)體元件，顯然它的重要性不可言喻。目前，最常用的半導(dǎo)體材料是硅和鍺，但是隨著石墨烯的成功制備，二維層狀納米材料就吸引了國(guó)際上眾多研究人員的廣泛關(guān)注[1],[2]。這類(lèi)單層材料具有 以下的厚度，展現(xiàn)出優(yōu)異的物理性質(zhì)以及在光電器件方面的應(yīng)用前景廣闊（比硅和鍺具有一些更好的電學(xué)和光學(xué)特性），在未來(lái)有潛能替代硅和鍺在半導(dǎo)體材料中的地位。二維層狀納米材料的研究不僅僅只限于石墨烯和它的衍生化合物，還可以延伸至其它的層狀材料，例如單層過(guò)渡金屬硫化物——二硫化鉬（MoS2）。單層 MoS2是繼石墨烯之后發(fā)現(xiàn)的又一類(lèi)二維原子晶體，它由一層鉬原子嵌入兩層硫原子所形成的一個(gè)六角形的二維晶體結(jié)構(gòu)（其層內(nèi)通過(guò)共價(jià)鍵鍵合）[3],[4]，如圖 1.1 中的（a）。MoS2體材料由若干層單層 MoS2組成，層間距約為 ，層間存在存在弱的范德瓦耳斯力，如圖 1（b），與石墨烯類(lèi)似，因而極易發(fā)生滑移，從而使MoS2有較低的摩擦系數(shù)而被廣泛應(yīng)用于固體潤(rùn)滑領(lǐng)域[5],[6]。

1.1 二硫化鉬的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)半導(dǎo)體材料起源于 18 世紀(jì) 30 年代，但是真正在實(shí)際中應(yīng)用的時(shí)間是在 19世紀(jì) 50 年代——晶體管的發(fā)明以及集成電路的研制成功。在當(dāng)今社會(huì)，半導(dǎo)體同人們的生活和工作密切相聯(lián)。半導(dǎo)體聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)生硬，甚至有的人不知道半導(dǎo)體是什么；不過(guò)人們每天使用的手機(jī)、電腦等電子產(chǎn)品里都有半導(dǎo)體元件，顯然它的重要性不可言喻。目前，最常用的半導(dǎo)體材料是硅和鍺，但是隨著石墨烯的成功制備，二維層狀納米材料就吸引了國(guó)際上眾多研究人員的廣泛關(guān)注[1],[2]。這類(lèi)單層材料具有 以下的厚度，展現(xiàn)出優(yōu)異的物理性質(zhì)以及在光電器件方面的應(yīng)用前景廣闊（比硅和鍺具有一些更好的電學(xué)和光學(xué)特性），在未來(lái)有潛能替代硅和鍺在半導(dǎo)體材料中的地位。二維層狀納米材料的研究不僅僅只限于石墨烯和它的衍生化合物，還可以延伸至其它的層狀材料，例如單層過(guò)渡金屬硫化物——二硫化鉬（MoS2）。單層 MoS2是繼石墨烯之后發(fā)現(xiàn)的又一類(lèi)二維原子晶體，它由一層鉬原子嵌入兩層硫原子所形成的一個(gè)六角形的二維晶體結(jié)構(gòu)（其層內(nèi)通過(guò)共價(jià)鍵鍵合）[3],[4]，如圖 1.1 中的（a）。MoS2體材料由若干層單層 MoS2組成，層間距約為 ，層間存在存在弱的范德瓦耳斯力，如圖 1（b），與石墨烯類(lèi)似，因而極易發(fā)生滑移，從而使MoS2有較低的摩擦系數(shù)而被廣泛應(yīng)用于固體潤(rùn)滑領(lǐng)域[5],[6]。

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本文編號(hào)：2717275