掺杂二维MoSi2N4材料的电子结构及光学性质的第一性原理研究

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自从石墨烯出现以来,二维材料得到科研工作者的广泛关注,并且诸多二维材料凭借其优异的性能在各个领域都表现出极大的潜能。MoSi2N4作为一种新型二维层状的半导体材料,实验上测得具有1.94 e V的禁带宽度、在可见光范围内的高透光率以及杨氏模量和断裂强度高达491 GPa和65.8 GPa等出色的特性。以二维材料优异的性能为基础,深入探究缺陷和掺杂与材料光电性能之间的微观机理,对推动新一代光电器件和纳米器件具有重要的意义。本文基于密度泛函理论,通过第一性原理计算研究本征缺陷以及氧、硫、硒替位掺杂和过渡金属(钨、锰、钒、钛)替位掺杂对二维MoSi2N4材料的影响。研究内容和结果如下:(1)对本征及不同的本征缺陷下的MoSi2N4晶体结构、电子结构和光学性质进行第一性原理计算。结果表明:本征MoSi2N4的带隙为1.72 e V,二维MoSi2N4在内层氮和硅的本征缺陷下的禁带宽度分别为0.781 e V和0.736 e V,而外层氮缺陷和钼缺陷的能带图与石墨烯类似,为零带隙半导体材料。内层氮原子本征缺陷结构的能带显示杂质能级靠近导带底,费米能级从价带顶移动至导带底,说明这种缺陷改变了本征二维MoSi2N4的导电类型,由原来的p型转变为n型半导体,而硅原子本征缺陷结构没有发生变化,仍然为p型半导体,该结果表明引入不同的本征缺陷对本征MoSi2N4的导电类型有不同的影响。根据电子态密度图可知,在导带底和价带顶处的能量区间内,电子态主要是来自Mo的d轨道贡献,少部分来自N的p轨道贡献。外层氮、内层氮、硅以及钼的本征缺陷在第一个吸收峰所对应的吸收波长分别为343 nm、333 nm、344 nm、285 nm,四种缺陷均使二维MoSi2N4的光吸收发生了不同程度的红移。(2)计算VI族元素(氧、硫、硒)掺杂二维MoSi2N4材料的光电性质。结果显示:当氧、硫、硒替位掺杂外层氮原子时,它们的禁带宽度分别为1.237 e V、0.927 e V、1.011 e V,均小于本征MoSi2N4的1.72 e V。VI族元素替位掺杂外层氮的体系均改变了半导体带隙类型,由原来的间接带隙变为直接带隙。VI族施主型掺杂外层氮结构改变了本征二维MoSi2N4的导电类型,由原来的p型半导体转变为n型半导体。这三种掺杂体系在第一个吸收峰所对应的吸收波长分别为344 nm、347 nm、348 nm,均发生红移。当氧、硫、硒替位掺杂内层氮原子时,它们的禁带宽度分别为1.958 e V、0.779 e V和0.482 e V。氧掺杂到内层氮时,使得禁带宽度变大,而硫和硒掺杂均使禁带宽度变窄,这为调控禁带宽度的大小提供了基础。硫和硒掺杂的杂质能级距离导带底和价带顶都很远,属于深能级杂质,成为半导体复合中心。硫掺杂的结构改变了带隙类型,由本征的间接带隙变为直接带隙,氧掺杂结构改变了导电类型,从p型半导体变为n型半导体。当VI族元素掺杂到内层氮时同样发生了红移,氧掺杂结构红移的幅度最为突出。(3)对钨、锰、钒、钛替位掺杂钼原子的MoSi2N4晶体结构和光电性质进行第一性原理计算。结果表明:钨、锰、钒、钛四种过渡金属掺杂结构的禁带宽度分别为1.806 e V、1.003 e V、1.218 e V和1.373 e V。四种掺杂结构与本征二维MoSi2N4结构的带隙类型相同,均为间接带隙半导体。钨掺杂的费米能级在价带顶附近位置,属于p型半导体;锰掺杂的费米能级在导带底附近处,属于n型半导体;钒和钛掺杂的杂质能级在费米能级附近,属于复合中心。四种过渡金属(W、Mn、V、Ti)掺杂时,在2 e V~4 e V的能量区间内的吸收波长分别为336 nm、320 nm、358 nm、338 nm。只有钒掺杂体系发生红移,其余三个体系的光吸收峰均为蓝移。
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