基于蓝磷的纳米器件电子输运机理与热电性质研究

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随着科技的发展与进步,以硅基半导体材料为基础的低能、高耗、大体积的产品已经逐渐被淘汰。许多纳米尺度的二维半导体材料被人渐渐发掘出来,如我们熟知的石墨烯、III-VI族半导体等。这些纳米尺度器件由于表现出与宏观材料不同的电子输运特性而成为了研究热点。近来,实验上成功制备出的磷烯纳米带以其高载流子迁移率,高稳定型等特点成为了纳米材料研究的热门材料,许多有趣的物理性质也逐渐被发掘研究。  本文采用了基于非平衡格林函数与密度泛函理论相结合的的第一性原理方法系统的研究了不同边界类型的蓝磷纳米带的电学输运性能。研究表明,蓝磷纳米带在低偏压下的输运通道集中于中心区域,被边界条件影响很小,所有宽度的蓝磷纳米带带隙都随着外电场强度增大而线性减小,这是因为外电场促使了巨斯塔克效应的产生。此外,巨斯塔克系数随着宽度的增加而线性增加,宽度大于3.1nm时,扶手椅型蓝磷纳米带敏感性大于锯齿型。根据计算结果,我们认为蓝磷纳米带在场效应晶体管的设计中有着巨大的潜力。  沿用第一性原理方法研究了不同边界蓝磷纳米带的热电性能,不同边界类型的蓝磷纳米带的热电性能是不相同,此外热电性能还受到蓝磷纳米带宽度的影响,宽度的增加使得 ZT值也在缓慢增大,主要原因则是蓝磷纳米带的宽度增加使得seebeck系数缓慢增大,导致了ZT值的增大。并且在蓝磷纳米带中,晶格热导率由于边界条件对声子的强散射,使的纳米带中晶格热导率远远小于块体材料中的晶格热导率。  鉴于完美的蓝磷纳米带热电性能并不是很出众,我们研究了氢钝化对热电性能的影响。两种边界类型的蓝磷纳米带的 seebeck系数都显著增大了约一倍,氢钝化后的锯齿型蓝磷纳米带在室温下ZT值可以达到3.4。实验的成功制备与理论的研究对蓝磷纳米带在热电器件的设计与热电性能调控上有重要的指导作用。
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