层状金属碘化物半导体二维结构的光电性质.pdf
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1、摘要二维材料因其独特的物理和化学特性而日益受到科学家们的重视,尽管石墨烯己被 广泛应用于电子和新能源领域,但零带隙严重阻碍了它在光电设备上的应用。为了解决 这一问题,大量研究团队开始开发、研究二维半导体材料,其中晶体为层状结构的半导 体材料可以很容易制备出稳定的二维半导体纳米片,且其层与层之间的范德瓦尔斯相互 作用对于纳米结构的性质产生重要影响,所以吸引了大量的研究兴趣,比如磷烯、六方 氮化硼和过渡金属硫族化合物等二维半导体材料已成为当前的研究热点。碘化铀和碘化铅晶体作为层状结构半导体家族的一员,主要应用在辐射探测器上。近几年,它们的二维结构纳米片的特性也吸引了大量理论计算和实验研究团体的关注
2、。另一方面,双层结构纳米片是第一个包含范德瓦尔斯作用的体系。因此,本文采用基于 密度泛函理论的计算方法,主要对碘化例和碘化铅的二维结构(主要是双层结构)的光 电性质进行了系统的研究,同时也研究了碘化铅光电性质对厚度和应力的依赖性。得出 的主要结论如下:1.压强对B%的电子结构和光学性质的影响当对碘化钮施加静水压后,因范德瓦尔斯晶体中层间作用弱于层内离子键和共价键 的强度,会导致c/a比值的减小,由于晶格参数的改变导致原子间距发生改变,进而导 致带隙值随压强的增加而降低。压强对碘化锦光学性质影响的研究表明:静态介电常数 随压强的增加而增加,介电函数虚部/吸收谱的阈值随压强的增加发生红移;在我们所
3、 研究的压强范围内,碘化钿的光学性质体现各向异性,光子能量低于2 e V时,介电函 数实部随压强增加而增大,高于2 e V时,随压强变化不明显。我们的计算也显示:在 可见光区域Bih晶体具有105/c m的吸收系数和非零的光电导率。所有这些结果都表明 碘化钿在光电设备应用上极具潜力。2.堆叠模式和层间耦合对双层三碘化铀的电子结构和光学性质的影响从总能量角度研究了不同堆叠模式双层碘化锌的的稳定性,最稳定的堆叠模式与体 晶体的堆叠顺序一致,不同堆叠模式的平衡层间距由大到小的排序与总能量最小值由大 万方数据到小的排序一致,这些现象可以用范德瓦尔斯作用遵循的兰纳-琼斯势定性地解释。不 同堆叠模式和改变
4、层间距能有效调制带隙值,随着层间距的减小,有七个堆叠模式的能 带特征出现了间接带隙向直接带隙的转变,堆叠模式和层间距对双层碘化钿性能的影响 可归因于位于上单层碘化钠下部的碘原子和位于下单层碘化钿上部的碘原子之间的相 互作用(或者说层间耦合)。另外,层间距明显影响双层三碘化密的光学性质,堆叠模 式仅对吸收隙位置和静态介电常数产生明显影响。所有的这些发现将进一步激起有关二 维碘化钮的理论研究和应用研究。3.双层碘化铅的电子结构和光学性质声子谱及结构总能研究结果显示:双层碘化铅有6种稳定的堆叠模式存在。这预示 着它们极有可能通过实验方法合成,最稳定的堆叠模式是体相的。杂化泛函计算的双层 碘化铅的总能
5、比广义梯度近似泛函计算的值要小,对电子能带结构的计算显示有两种堆 叠模式双层碘化铅的能带特征是直接带隙结构,它们的带隙值分别为2.59 eV和2.60 eV,这对于利用有效光吸收方面的应用是有益的。此外,我们也发现层间距能有效调制双层 碘化铅的带隙值和带隙结构,详细的研究揭示了对带隙结构的调制作用可归因于层间距 降低导致的层间耦合加强。最后,在对AAi堆叠模式双层碘化铅的光学性质研究中发现:光学性质对层间距变化非常敏感,层间距的增加使静态介电常数降低,使光学带隙发生 蓝移;此外计算显示光学特征主要由激子效应主导,计算的激子结合能和光学带隙值分 别为 081 eV 和 2.73 eV。4.激子效
6、应对腆化铅的层依赖和应力依赖光电性质的影响利用Go Wo+BSE方法研究了激子效应对碘化铅的层依赖和应力依赖光学性质的影 响,并讨论了厚度和应力对激子效应的影响,结果表明:随着层数增加,吸光度和吸收 系数增加,计算的激子结合能降低;激子效应对二维碘化铅的影响要大于对碘化铅晶体 的影响;随着应力的增大,所有光学谱线都发生红移,特别是光子能量高于基础带隙的 区域;并解释了电子性质与光学性质之间的联系。这将进一步强调对二维碘化铅在光电 设备上潜在应用研究的必要性和重要性。关键词:密度泛函理论,层状结构半导体,二维材料,堆叠模式,层间耦合II万方数据ABSTRACTTwo-d imensio na l
7、(2D)ma t er ia l s a t t r a c t ed mo r e a nd mo r e a t t ent io ns o f sc ient ist s o wing t o t h eir uniq ue ph ysic a l a nd c h emic a l pr o per t ies.Al t h o ug h g r a ph ene wa s wid el y used in t h e fiel d s o f el ec t r o nic s a nd new ener g y so ur c es,t h e zer o ba nd g a p
8、ser io usl y h ind er s it s a ppl ic a t io n in o pt o el ec t r o nic d evic es.In o r d er t o r emed y t h is d efec t,ma ny r esea r c h g r o ups beg a n t o d evel o p a nd st ud y t wo-d imensio na l semic o nd uc t o r ma t er ia l s.Semic o nd uc t o r ma t er ia l s wit h l a yer ed st r
9、 uc t ur e c a n ea sil y pr o d uc e st a bl e t wo-d imensio na l semic o nd uc t o r na no sh eet s,a nd t h e va n d er Wa a l s int er a c t io n bet ween l a yer s h a s impo r t a nt infl uenc es o n t h e pr o per t ies o f t h ese na no st r uc t ur es.Th er efo r e,c o nsid er a bl e r ese
10、a r c h int er est s a r e a l so a t t r a c t ed t o t h e 2D st r uc t ur es o f t h ese l a yer ed semic o nd uc t o r s,suc h a s Ph o sph o r ene,h ex a g o na l bo r o n nit r id e a nd t r a nsit io n met a l d ic h a l d o g enid e c o mpo und s so o n.To d a y,t h ese 2D semic o nd uc t o
11、r ma t er ia l s bec o me t h e r esea r c h h o t spo t o f t h e fiel d o f semic o nd uc t o r.Bismut h t r i-io d id e(Bib)a nd l ea d io d id e(PbL)c r yst a l s,a s a member o f t h e l a yer ed semic o nd uc t o r fa mil y,a r e ma inl y used in r a d ia t io n d et ec t o r s.In r ec ent yea
12、 r s,t h e pr o per t ies o f t h eir t wo-d imensio na l na no sh eet s h a ve been wid el y st ud ied by ma ny t h eo r et ic a l c a l c ul a t io ns a nd ex per iment a l mea sur ement s On t h e o t h er h a nd,t h e bil a yer na no sh eet s a r e t h e fir st syst em invo l ving va n d er Wa a
13、 l s int er a c t io n.Th er efo r e,ba sed o n t h e d ensit y func t io na l t h eo r y,t h is pa per ma inl y invest ig a t es t h e o pt o el ec t r o nic pr o per t ies o f t h e 2D na no sh eet s o f Bih a nd Pbh,a nd a l so st ud ies t h e l a yer-a nd st r a in-d epend ent o pt o el ec t r o
14、 nic pr o per t ies o f Pbh.Th e ma in c o nc l usio ns d r a wn a r e a s fo l l o ws.1.Infl uenc es o f pr essur e o n el ec t r o nic st r uc t ur e a nd o pt ic a l pr o per t ies o f BibIII万方数据Wh en t h e h yd r o st a t ic pr essur e is a ppl ied t o Bib c r yst a l,it l ea d s t o t h e d ec
15、r ea se o f t h e c/a r a t io bec a use t h e int er l a yer int er a c t io n in t h e va n d er Wa a l s c r yst a l is wea k er t h a n t h e io nic bo nd s a nd c o va l ent bo nd s in t h e int r a l a yer.Th e spa c e c h a ng e bet ween a t o ms r esul t ing fr o m t h e c h a ng e o f t h e
16、 l a t t ic e pa r a met er s l ea d s t o t h e d ec r ea se o f t h e ba nd g a p va l ue wit h t h e inc r ea se o f t h e pr essur e.Th e effec t s o f pr essur e o n t h e o pt ic a l pr o per t ies o f Bih sh o w t h a t t h e st a t ic d iel ec t r ic c o nst a nt inc r ea ses wit h t h e inc
17、 r ea se o f t h e pr essur e,a nd t h a t t h e inc r ea se o f t h e pr essur e ma k es t h e t h r esh o l d o f t h e ima g ina r y pa r t o f d iel ec t r ic func t io n a nd t h e a bso r pt io n spec t r um r ed sh ift.In t h e c o nsid er ed pr essur e r a ng e,t h e o pt ic a l pr o per t i
18、es o f Bib a r e a niso t r o pic,a nd t h e r ea l pa r t o f d iel ec t r ic func t io n inc r ea ses wit h t h e inc r ea se o f pr essur e wh en ph o t o n ener g y is l ess t h a n 2 eV beyo nd t h a t va l ue t h e c h a ng e is no t o bvio us.Mo r eo ver,o ur c a l c ul a t io ns a l so sh o
19、w t h a t t h er e is a-105/c m a bso r pt io n c o effic ient a nd a no n-zer o ph o t o c o nd uc t ivit y in t h e visibl e r eg io n.Al l t h ese r esul t s ind ic a t e t h a t Bib h a s g r ea t po t ent ia l in t h e a ppl ic a t io n o f o pt o el ec t r o nic d evic es.2.Effec t s o f st a
20、c k ing pa t t er ns a nd int er l a yer c o upl ing o n t h e el ec t r o nic st r uc t ur e a nd o pt ic a l pr o per t ies o f bil a yer BibTh e st a bil it y o f bil a yer Bil a wit h d iffer ent st a c k ing pa t t er ns is st ud ied fr o m t h e view o f t o t a l ener g y.Th e mo st st a bl e
21、 st a c k ing pa t t er n is c o nsist ent wit h t h e st a c k ing o r d er o f t h e bul k c r yst a l s,a nd t h e o r d er o f t h e ba l a nc e int er l a yer d ist a nc e o f d iffer ent st a c k ing pa t t er ns using t h e a sc end ing numer ic a l so r t is c o nsist ent wit h t h e o r d e
22、r o f t o t a l ener g y.Th e effec t s o f st a c k ing pa t t er ns o n st r uc t ur a l pr o per t ies c a n be q ua l it a t ivel y ex pl a ined by t h e Lenna r d-Jo nes po t ent ia l wh ic h is fo l l o wed by va n d er Wa a l s int er a c t io n.St a c k ing pa t t er ns a nd int er l a yer c
23、 o upl ing c a n effec t ivel y t une t h e ba nd g a p va l ue.Wit h t h e d ec r ea se o f int er l a yer spa c ing,seven st a c k ing pa t t er ns t a k e pl a c e t h e ener g y ba nd st r uc t ur a l t r a nsit io n fr o m ind ir ec t ba nd g a p t o d ir ec t ba nd g a p,wh ic h c a n be a t t
24、 r ibut ed t o t h e c h a ng e o f int er a c t io n bet ween t h e bo t t o m io d ine IV万方数据a t o ms in t h e upper mo no l a yer Bib a nd t h e t o p o nes in t h e l o wer mo no l a yer Bib wit h in t h e bil a yer Bih.In a d d it io n,t h e int er l a yer spa c ing o bvio usl y a ffec t s t h
25、e o pt ic a l pr o per t ies o f bil a yer Bih,a nd t h e st a c k ing pa t t er n o nl y h a s a sig nific a nt efiec t o n t h e a bso r pt io n t h r esh o l d a nd st a t ic d iel ec t r ic c o nst a nt s.Al l t h ese d isc o ver ies wil l fur t h er st ir up t h eo r et ic a l a nd a ppl ied r
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- 层状 金属 碘化物 半导体 二维 结构 光电 性质
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