新型三元層狀過渡金屬硫族化合物逐漸成為二維材料研究的熱點。近年來,二維材料ZrGeTe₄因具有強各向異性而引起了人們的關注。本論文采用第一性原理計算,深入研究層狀ZrGeTe₄的電子結構、聲子特性及載流子遷移率。研究成果如下:首先,通過采用Heyd-Scuseria-Ernzerhof（HSE）06泛函的第一性原理計算,并考慮自旋軌道耦合作用,研究了層狀ZrGeTe₄電子結構與層數的依賴關系。計算結果表明,塊體和單層ZrGeTe₄的帶隙值分別為0.55 eV和1.08 eV,帶隙值覆蓋在近紅外光區(qū)域,并且單層ZrGeTe₄具有直接帶隙,表明其在光伏器件、太陽能電池等領域具有潛在的應用。此外,采用逐步增大層間距的方法,探究了ZrGeTe₄帶隙轉變的潛在物理機制。研究結果表明,當層間距增大到2.8?臨界值時,間接帶隙轉變?yōu)橹苯訋?其中范德瓦爾斯相互作用是導致帶隙轉變的主要原因。其次,基于密度泛函微擾理論,通過計算ZrGeTe₄的聲子譜,... 

【文章來源】：湖南師范大學湖南省 211工程院校

【文章頁數】：65 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

二維材料家族[11]

二維材料ZrGeTe4電子結構和載流子遷移率的第一性原理研究圖1-2:(a)石墨烯(Graphene)、黑磷(BlackP)以及過渡金屬硫族化合物(TMDs)的電磁波譜和帶隙范圍；(b)石墨烯、黑磷以及過渡金屬硫族化合物的開關比和載流子遷移率[30]。高的載流子遷移率，再加上鍺烯具有優(yōu)秀的拓撲性質，使得鍺烯在自旋電子學、量子計算等研究領域極具競爭力[32,33]。雖然石墨烯、硅烯和鍺烯都表現出超高的載流子遷移率，但都存在缺乏帶隙的缺陷[34,35]。良好的光電子器件不僅需要高載流子遷移率，同時還需要合適的帶隙值，因此需要探索新型二維材料來彌補石墨烯的不足[34,35]。在帶隙方面，具有寬帶隙的h-BN引起了人們的關注[22]。單層h-BN的晶體結構類似于石墨烯，層內是由sp2鍵合的二維材料，并且平面內具有高度對稱性。然而，與石墨烯不同，h-BN是絕緣體，塊體到單層的帶隙值在5–6eV之間，且單層到多層會發(fā)生直接帶隙到間接帶隙的轉變，這在設計優(yōu)良器件中具有巨大的優(yōu)勢[23]。最重要的是，h-BN能抵抗化學腐蝕和高溫等惡劣條件，因而廣泛應用于深紫外探測等領域[36–38]。與h-BN相比，TMDs具有適中的帶隙值(～1.5–2.5eV)，其帶隙值覆蓋在可見光區(qū)域，如圖1-2。TMDs是除石墨烯外研究最多的層狀二維材料，其化學式可表達為MX2(M=過渡金屬原子，X=S、Se、Te)，從它們的化學式可以看出，二元化合物二維材料的種類比單元素二維材料要多得多，其蘊藏的優(yōu)異性質也會更加豐富[8–10]。目前，通過實驗成功制備出一種新型二維材料仍是非常困難，在一定程度上，TMDs被-3-

湖南師范大學碩士學位論文廣泛研究是得益于它的晶體結構。TMDs是層狀二維材料，原子層內通過強的離子鍵、共價鍵緊密結合，而層與層堆垛方向為弱的vdW相互作用，因此通過采用機械剝離的方法，便可以較容易制備出二維材料[8,9]。TMDs代表性材料之一為MoS2，其晶體結構屬于六方晶系，平面內表現為各向同性的性質。單層MoS2可以分成三個子層，上下兩個子層為S原子組成，而中間子層為金屬Mo原子組成，因此單層MoS2的晶體結構看起來像三明治，圖1-3(a)為TMDs常見兩種相的晶體結構，分別為H相和T相[39]。對于MoS2來說，H相是它最穩(wěn)定的晶體結構，但對于貴重TMDs來說，最穩(wěn)定的晶體結構為T相，例如PtS2、PtSe2等[40–42]。圖1-3:(a)TMDs晶體結構的H相和T相結構示意圖；(b)采用電聲耦合方法計算得到TMDs載流子遷移與帶隙值的關系圖[43]。層狀MoS2的帶隙隨層數增加而顯著變化。單層MoS2為直接帶隙半導體，即價帶頂中的電子只需要吸收一定的能量便可激發(fā)到導帶底，其電子躍遷過程不需要聲子的參與，因而具有強光致發(fā)光能力，并且開光比可高達108，使其在低功耗光電器件的應用上極具吸引力[8,44,45]。此外，單層以上轉變?yōu)殚g接帶隙半導體，這種帶隙的轉變是非常有趣的，可應用于光電器件、傳感器等方面[8,9,44,46]。然而，MoS2的空穴遷移率約為152cm2V1s1，電子遷移率大約只有60cm2V1s1，相比于傳統(tǒng)硅半導體材料(電子遷移率為1350cm2V1s1)，其載流子遷移率偏低[45]。并且，載流子在平面內表現為各向同性的特點。除此之外，其余大部分TMDs也都存在載流子遷移率低、各向異性比小等缺點[43]，這極大地限制了其在場效應晶體管、光電子器件上的應用[47,48]。因此需要探索性能更加優(yōu)良的二維材料，以滿足未來開發(fā)高性能半導體器件的需要。-4-

【參考文獻】：
期刊論文
[1]Defect engineering on the electronic and transport properties of one-dimensional armchair phosphorene nanoribbons[J]. 許華慨,歐陽鋼.  Chinese Physics B. 2020(03)



本文編號：3587144