二維材料因其獨(dú)特的物理和化學(xué)特性而日益受到科學(xué)家們的重視,盡管石墨烯已被廣泛應(yīng)用于電子和新能源領(lǐng)域,但零帶隙嚴(yán)重阻礙了它在光電設(shè)備上的應(yīng)用。為了解決這一問題,大量研究團(tuán)隊(duì)開始開發(fā)、研究二維半導(dǎo)體材料,其中晶體為層狀結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體材料可以很容易制備出穩(wěn)定的二維半導(dǎo)體納米片,且其層與層之間的范德瓦爾斯相互作用對于納米結(jié)構(gòu)的性質(zhì)產(chǎn)生重要影響,所以吸引了大量的研究興趣,比如磷烯、六方氮化硼和過渡金屬硫族化合物等二維半導(dǎo)體材料已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。碘化鉍和碘化鉛晶體作為層狀結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體家族的一員,主要應(yīng)用在輻射探測器上。近幾年,它們的二維結(jié)構(gòu)納米片的特性也吸引了大量理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究團(tuán)體的關(guān)注。另一方面,雙層結(jié)構(gòu)納米片是第一個包含范德瓦爾斯作用的體系。因此,本文采用基于密度泛函理論的計(jì)算方法,主要對碘化鉍和碘化鉛的二維結(jié)構(gòu)(主要是雙層結(jié)構(gòu))的光電性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,同時(shí)也研究了碘化鉛光電性質(zhì)對厚度和應(yīng)力的依賴性。得出的主要結(jié)論如下:1.壓強(qiáng)對BiI_3的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響當(dāng)對碘化鉍施加靜水壓后,因范德瓦爾斯晶體中層間作用弱于層內(nèi)離子鍵和共價(jià)鍵的強(qiáng)度,會導(dǎo)致c/a比值的減小,由于晶格參數(shù)的改變導(dǎo)致原子間距發(fā)生改變,進(jìn)而導(dǎo)致帶隙值隨壓強(qiáng)的增加而降低。壓強(qiáng)對碘化鉍光學(xué)性質(zhì)影響的研究表明:靜態(tài)介電常數(shù)隨壓強(qiáng)的增加而增加,介電函數(shù)虛部和吸收譜的閾值隨壓強(qiáng)的增加發(fā)生紅移;在我們所研究的壓強(qiáng)范圍內(nèi),碘化鉍的光學(xué)性質(zhì)體現(xiàn)各向異性,光子能量低于2 eV時(shí),介電函數(shù)實(shí)部隨壓強(qiáng)增加而增大,高于2 eV時(shí),隨壓強(qiáng)變化不明顯。我們的計(jì)算也顯示:在可見光區(qū)域BiI_3晶體具有~10~5/cm的吸收系數(shù)和非零的光電導(dǎo)率。所有這些結(jié)果都表明碘化鉍在光電設(shè)備應(yīng)用上極具潛力。2.堆疊模式和層間耦合對雙層三碘化鉍的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響從總能量角度研究了不同堆疊模式雙層碘化鉍的的穩(wěn)定性,最穩(wěn)定的堆疊模式與體晶體的堆疊順序一致,不同堆疊模式的平衡層間距由大到小的排序與總能量最小值由大到小的排序一致,這些現(xiàn)象可以用范德瓦爾斯作用遵循的蘭納-瓊斯勢定性地解釋。不同堆疊模式和改變層間距能有效調(diào)制帶隙值,隨著層間距的減小,有七個堆疊模式的能帶特征出現(xiàn)了間接帶隙向直接帶隙的轉(zhuǎn)變,堆疊模式和層間距對雙層碘化鉍性能的影響可歸因于位于上單層碘化鉍下部的碘原子和位于下單層碘化鉍上部的碘原子之間的相互作用(或者說層間耦合)。另外,層間距明顯影響雙層三碘化鉍的光學(xué)性質(zhì),堆疊模式僅對吸收隙位置和靜態(tài)介電常數(shù)產(chǎn)生明顯影響。所有的這些發(fā)現(xiàn)將進(jìn)一步激起有關(guān)二維碘化鉍的理論研究和應(yīng)用研究。3.雙層碘化鉛的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)聲子譜及結(jié)構(gòu)總能研究結(jié)果顯示:雙層碘化鉛有6種穩(wěn)定的堆疊模式存在。這預(yù)示著它們極有可能通過實(shí)驗(yàn)方法合成,最穩(wěn)定的堆疊模式是體相的。雜化泛函計(jì)算的雙層碘化鉛的總能比廣義梯度近似泛函計(jì)算的值要小,對電子能帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算顯示有兩種堆疊模式雙層碘化鉛的能帶特征是直接帶隙結(jié)構(gòu),它們的帶隙值分別為2.59 eV和2.60 eV,這對于利用有效光吸收方面的應(yīng)用是有益的。此外,我們也發(fā)現(xiàn)層間距能有效調(diào)制雙層碘化鉛的帶隙值和帶隙結(jié)構(gòu),詳細(xì)的研究揭示了對帶隙結(jié)構(gòu)的調(diào)制作用可歸因于層間距降低導(dǎo)致的層間耦合加強(qiáng)。最后,在對AA_1堆疊模式雙層碘化鉛的光學(xué)性質(zhì)研究中發(fā)現(xiàn):光學(xué)性質(zhì)對層間距變化非常敏感,層間距的增加使靜態(tài)介電常數(shù)降低,使光學(xué)帶隙發(fā)生藍(lán)移;此外計(jì)算顯示光學(xué)特征主要由激子效應(yīng)主導(dǎo),計(jì)算的激子結(jié)合能和光學(xué)帶隙值分別為0.81 eV和2.73 eV。4.激子效應(yīng)對碘化鉛的層依賴和應(yīng)力依賴光電性質(zhì)的影響利用G_0W_0+BSE方法研究了激子效應(yīng)對碘化鉛的層依賴和應(yīng)力依賴光學(xué)性質(zhì)的影響,并討論了厚度和應(yīng)力對激子效應(yīng)的影響,結(jié)果表明:隨著層數(shù)增加,吸光度和吸收系數(shù)增加,計(jì)算的激子結(jié)合能降低;激子效應(yīng)對二維碘化鉛的影響要大于對碘化鉛晶體的影響;隨著應(yīng)力的增大,所有光學(xué)譜線都發(fā)生紅移,特別是光子能量高于基礎(chǔ)帶隙的區(qū)域;并解釋了電子性質(zhì)與光學(xué)性質(zhì)之間的聯(lián)系。這將進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)對二維碘化鉛在光電設(shè)備上潛在應(yīng)用研究的必要性和重要性。
【學(xué)位單位】：河南師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O472
【部分圖文】：

第一章 緒論exagonal boron nitride，h-BN），空間群：P63/mmc，晶格常數(shù)間接帶隙 Eg= 5.97 eV[1]�？臻g結(jié)構(gòu)如圖 1-2 所示。與石墨性質(zhì)是不同的，石墨為半金屬，而氮化硼是寬帶隙半導(dǎo)

六方氮化硼空間結(jié)構(gòu)透視圖，由四個晶胞組成

層狀金屬碘化物半導(dǎo)體二維結(jié)構(gòu)的光電性質(zhì)（2）III2-VI3化合物硫化銦（Indium sulfide,γ-In2S3），空間群：D -P3_m1，晶格常數(shù)：a = 0.38 nm，c = 0.904 nm，Eg= 1.8 eV�？臻g結(jié)構(gòu)如圖 1-3。（3）II-VII2化合物II 族二鹵化物晶體中有大量層狀結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體，這些半導(dǎo)體存在兩種堆疊。一種是CdI2結(jié)構(gòu)（如圖 1-4（a）），空間群D ；另一種是 CdCl2結(jié)構(gòu)（如圖 1-4（b）），空間群D 。對于元素 Cd 的二鹵化物，存在三種半導(dǎo)體，分別是 CdCl2結(jié)構(gòu)的 CdCl2和CdBr2，CdI2結(jié)構(gòu)的 CdI2。以 CdI2為例，間接帶隙 Eg= 3.5 eV，2H 相的晶格常數(shù)：a =0.424 nm，c = 0.684 nm。
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本文編號：2855543