新型二维半导体材料本征导电性质的第一性原理研究

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本文通过基于密度泛函理论第一性原理计算的“转移真实态模型”系统地研究了黑磷烯、黑砷烯和单层Ge S中所有本征点缺陷的基础性质。论文重点讨论了(i)黑磷烯、黑砷烯和单层Ge S本征p型导电性的物理起源;(ii)黑磷烯、黑砷烯中的天然空位缺陷以及单层Ge S中本征阳离子空位缺陷浅受主跃迁能级的物理起源,取得一些有一定价值的研究成果。论文的核心结论展示如下:(1)本文首先通过“转移真实态模型”讨论了黑磷烯、黑砷烯中空位与自间隙缺陷的形成能及缺陷跃迁能级。结果表明黑磷烯、黑砷烯中的天然缺陷都是受主缺陷,且两种材料中的空位缺陷都具备低形成能、浅缺陷跃迁能级的特点,这种缺陷性质使得黑磷烯、黑砷烯都是天然的p型半导体且极易通过掺杂获得p型导电性良好的样品,而由于本征受主缺陷强的补偿效应也使得这两种材料都很难通过掺杂获得n型导电样品。(2)通过对称性分析发现,完美的黑磷烯、黑砷烯晶体的点群对称性为D2h,而包含空位缺陷的局部结构弛豫后对称性降低至C1h并形成类金字塔型的局部四配位结构,类金字塔型局部结构的形成使带隙中空位缺陷产生的两条缺陷态的对称性由B2u(py态)和B3u(px态)转变为相同A′对称性。因此两个具有相同′对称性的缺陷态之间由于强耦合发生大的能级劈裂,产生浅受主跃迁能级。对称性分析的结果指出黑磷烯、黑砷烯本征p型导电的物理起源,并解决了常期以来实验上观测到的黑磷烯、黑砷烯是天然p型导电半导体与理论研究低维材料中的本征缺陷都是深能级缺陷的矛盾。(3)通过“冻结近似理论”研究了黑磷烯、黑砷烯在不同的热平衡生长条件下快速退火至室温时,两种材料中的缺陷浓度及载流子浓度。结果表明,在1300K的高温生长条件下,黑磷烯中的空位缺陷能够大量形成并几乎完全电离,是黑磷烯本征p型导电的主要来源,在快速退火至300K时,空穴载流子浓度达到1010cm-2。而黑砷烯中空位缺陷的形成能低于间隙缺陷形成能,因此在任何温度的生长条件下空位缺陷都是黑砷烯本征p型导电的主要来源。在1300K的热平衡生长条件快速退火至300K时,黑砷烯中空穴载流子浓度高达1011cm-2。结果表明在高温热平衡生长条件下,可以轻易的获得具有良好p型导电性的黑磷烯与黑砷烯样品,使得黑磷烯、黑砷烯都在新型二维CMOS领域有广泛的应用前景。(4)我们预测黑磷烯、黑砷烯良好的本征p型导电性与其独特的“褶皱”结构有关,由于两种材料都属于非极性共价半导体,我们预测如果将该结构的非极性原子替换为阴阳离子同样会导致浅的空位缺陷与良好的导电性质。(5)计算的单层Ge S中本征缺陷形成能表明Ge空位缺陷由于浅的受主跃迁能级与低的形成能是单层Ge S中占据主导的本征受主缺陷,是单层Ge S本征p型导电性的主要来源且与实验上观察到的单层Ge S表面产生大量的Ge空位非常一致。Ge空位浅的受主跃迁能级起源于空位处阴离子间大的库仑排斥相互作用导致的大的局部结构弛豫。因此在热平衡生长条件下Ge空位能够大量形成且部分电离贡献单层Ge S的本征p型导电性。此外,取决于化学势,在富S的生长条件下,会有更少的本征施主缺陷补偿Ge空位的离化,在这种生长条件下能够更轻易的获得具有良好p型导电性的单层Ge S样品。本论文对黑磷烯、黑砷烯以及单层Ge S中本征缺陷性质的研究预期为这些新型二维材料在纳米电子、光电器件中的实践与应用提供有价值的理论指导。
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