隨著石墨烯研究的熱潮,種類豐富、性能多樣的各種二維化合物材料相繼被人們發(fā)現(xiàn)并研究,包括金屬硫?qū)倩铩ⅱ?Ⅴ主族構成的二元化合物、第Ⅳ主族單質(zhì)、復合氧化物等。這些發(fā)現(xiàn)不僅打破了長久以來二維晶體無法在自然界中穩(wěn)定存在的說法,這些材料自身更是呈現(xiàn)出許多新奇的物理現(xiàn)象和電子性質(zhì),如分數(shù)、半整數(shù)和分形量子霍爾效應、高載流子遷移率、能帶結(jié)構變換等。二維硫?qū)倩镉捎谄涓叻�(wěn)定性、豐富蘊藏量、環(huán)境友好性以及優(yōu)異的電子性質(zhì)引起了人們的高度關注。本論文研究了幾種二維硫?qū)倩飭螌拥碾娮咏Y(jié)構和氧化行為,相關的理論結(jié)果有望為未來設計納米電子器件提供新的啟示,具體發(fā)現(xiàn)如下:1)應用第一性原理計算系統(tǒng)研究了單層四族硫?qū)倩?GeS,GeSe,SnS,SnSe)的氧化行為,發(fā)現(xiàn)這些單層的四族硫?qū)倩衔飺碛?.26～1.60 eV的氧氣活化勢壘,大約是磷烯和砷烯的2倍。更重要的是,在低濃度氧氣的環(huán)境下,氧氣分子化學吸附在四族硫?qū)倩锷喜⒉粫淖兤浔旧淼碾娮有再|(zhì)—帶隙變化不大,且不會引入雜質(zhì)態(tài),載流子的有效質(zhì)量相對純凈的體系僅有很小的變化。2)通過第一性原理計算系統(tǒng)研究了完美的和帶缺陷的單層三族硫?qū)倩锏难趸袨?發(fā)現(xiàn)完美的三族硫?qū)倩飭螌颖憩F(xiàn)出優(yōu)異的抗氧化性,對氧氣分子的解離和化學吸附具有較大的活化勢壘,其值為3.02～3.20 eV;相比之下,存在S或Se缺陷的三族硫?qū)倩飭螌右资苎鯕獾挠绊?對氧氣分子的化學吸附僅有0.26～0.36 eV的活化勢壘。有趣的是,將一個氧氣分子填充到單層三族硫?qū)倩锏牧蜃蹇瘴恢?可以保持完美體系的電子能帶結(jié)構—帶隙幾乎完好無損,載流子有效質(zhì)量只受到中等程度的干擾。3)從理論上預測了硫化亞銅的一個層狀新相Cu2S,稱為δ-Cu2S,它具有新穎的電子特性和優(yōu)異的抗氧化性。與已知的β-Cu2S相相比,單層和雙層δ-Cu2S具有更低的形成能,δ-Cu2S相對于ββ-Cu2S的較高穩(wěn)定性表明δ-Cu2S的實驗合成具有很高的可能性。值得注意的是,δ-Cu2S表現(xiàn)出優(yōu)異的抗氧化性,因為δ-Cu2S上O2的化學吸附具有1.98 eV的高活化勢壘。在電子性質(zhì)方面,δ-Cu2S是一種具有適中直接帶隙(1.26 eV)和超高的電子遷移率(6880 cm2V-1s-1)的半導體,約為ββ-Cu2S雙層的遷移率(246 cm2V-1s-1)的27倍。4)設計了一系列具有壓電效應的“兩面神”(Janus)三族硫?qū)倩飭螌咏Y(jié)構,包括Ga2SSe、Ga2STe、Ga2SeTe、In2SSe、In2STe、In2SeTe、GaInS2、GaInSe2和GaInTe2。它們的帶隙為0.89～2.03 eV,小于完美體系的帶隙;同時Ga2STe、Ga2SeTe、In2STe和In2SeTe為直接帶隙半導體。這些Janus體系的壓電系數(shù)高達8.47 pm/V,大約為單層三族硫?qū)倩飰弘娤禂?shù)的4倍。更重要的是,因為Janus體系打破了鏡面對稱,引起了垂直于二維材料平面的面外極化強度,進而產(chǎn)生了面外壓電系數(shù)為0.07～0.46 pm/V。5)通過第一性原理計算,預測了兩種二維三元硫?qū)倩?超薄GeAsSe和SnSbTe,它們擁有優(yōu)異的電子和光學性質(zhì)。GeAsSe和SnSbTe單層在能量、熱力學和動力學上是穩(wěn)定的。更重要的是,單層GeAsSe和SnSbTe擁有直接帶隙,分別為2.56和1.96 eV,它們擁有超高的空穴遷移率,可達到20000 cm2V-1s-1,同時它們在可見光范圍內(nèi)擁有很高的光吸收系數(shù)。通過對能帶邊緣位置和水分解的氧化還原勢的比較,揭示了層狀的GeAsSe和SnSbTe有可能作為水分解的催化劑。
【學位單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：O469
【部分圖文】：

電器件［４］、壓電器件［５］、鐵電器件［６＿７］、能源材料［８］等領域擁有優(yōu)異的潛在優(yōu)勢。四族硫??屬化物ＭＸ?（Ｍ?＝?Ｇｅ、Ｓｎ；Ｘ?＝?Ｓ、Ｓｅ），即ＧｅＳ、ＧｅＳｅ、ＳｎＳ和ＳｎＳｅ具有類似于黒磷??的褶皺層狀結(jié)構，如圖１．１所示（圖中虛線框代表四族硫?qū)倩飭螌拥膯伟�，綠色和黃??色原子分別代表四族和硫族元素）。這些二維硫?qū)倩飳儆谡痪w，四個單層化合物??的空間群是Ｐｍｎ２１?（Ｎｏ．３１）。最重要的是，這些二維硫?qū)倩镌冢幔颍恚悖瑁幔椋蚍较蛏隙季??有類似鉸鏈的結(jié)構，這導致了各向異性的力學ｍ、電子｜１（）］和熱輸運［４］等特性。??徽ｇ??１憑為???＞ｘ??＞ｚ??圖１．１四族硫?qū)倩飭螌釉咏Y(jié)構的（ａ）俯視圖和（ｂ）側(cè)視圖??Ｆｉｇ．?１．１?Ｌａｔｔｉｃｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｍｏｎｏｌａｙｅｒ?ｇｒｏｕｐ－ＩＶ?ｍｏｎｏｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅｓ?ｆｒｏｍ?（ａ）?ｔｏｐ?ａｎｄ?（ｂ）?ｓｉｄｅ?ｖｉｅｗ??ｉ．ｉ．ｉ實驗的進展??實驗上，Ｌｉ等人利用氣相沉積工藝合成單晶二維ＧｅＳ納米薄片，并表明該納米薄??片的生長行為與其他由氣相沉積生長的納米村料和薄膜有本質(zhì)上的不同［１１］，如圖１．２所??示。他們發(fā)現(xiàn)，在典型的實驗條件下，邊界層擴散被認為是生長速率的決定步驟；同時??納米薄片的尺寸對擴散通量有很大的依賴性，當決定速率的步驟從邊界層擴散改變時，??晶體的質(zhì)量會顯著惡化。因此控制好生長過程中邊界層的擴散

ｍ＇???＞．ｖ??圖１．４三族硫?qū)倩飭螌釉咏Y(jié)構的（ａ）俯視圖和（ｂ）側(cè)視圖??Ｆｉｇ．?１．４?Ｌａｔｔｉｃｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｍｏｎｏｌａｙｅｒ?ｇｒｏｕｐ－ＩＩＩ?ｍｏｎｏｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅｓ?ｆｒｏｍ?（ａ）?ｔｏｐ?ａｎｄ?（ｂ）?ｓｉｄｅ?ｖｉｅｗ??另外一類有趣的新興二維材料家族是二維三族硫?qū)倩铮ǎ停兀?Ｍ＝Ｇａ，?Ｉｎ，?Ｘ＝Ｓ，?Ｓｅ，??Ｔｅ），結(jié)構如１．４圖所示（圖中虛線框代表三族硫?qū)倩飭螌拥膯伟厣忘S色原子??－４－??

Ｂａｔｔｅｒｙ?Ｃａｔａｌｙｓｔｓ?Ｆｅｒｒｏｅｌｃｃｔｒｉｃｉｔｙ??圖１．３二維四族硫?qū)倩锏膽茫溃玻ǎ常担蓿罚??Ｆｉｇ．?１．３?Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ?ｏｆ?２Ｄ?ｇｒｏｕｐ?ＩＶ?ｍｏｎｏｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅｓ［５．６?２０?３＞３７］??１．２二維三族硫?qū)倩??獨??——＞，Ｖ??（ｂ）?ｚ??’ｍ＇???＞．ｖ??圖１．４三族硫?qū)倩飭螌釉咏Y(jié)構的（ａ）俯視圖和（ｂ）側(cè)視圖??Ｆｉｇ．?１．４?Ｌａｔｔｉｃｅ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｏｆ?ｍｏｎｏｌａｙｅｒ?ｇｒｏｕｐ－ＩＩＩ?ｍｏｎｏｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅｓ?ｆｒｏｍ?（ａ）?ｔｏｐ?ａｎｄ?（ｂ）?ｓｉｄｅ?ｖｉｅｗ??另外一類有趣的新興二維材料家族是二維三族硫?qū)倩铮ǎ停兀?Ｍ＝Ｇａ，?Ｉｎ，?Ｘ＝Ｓ，?Ｓｅ，??Ｔｅ），結(jié)構如１．４圖所示（圖中虛線框代表三族硫?qū)倩飭螌拥膯伟�，棕色和黃色原
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本文編號：2861324