二维C3N和SnS异质结电子结构和输运性质研究

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石墨烯因高度的载流子迁移率而得到广泛的关注。但是,其固有的零带隙特点也限制了它在光电器件上的应用,比如,基于石墨烯的场效应管无法用栅极电压进行有效控制。为了改变这一现状,其他的类石墨烯二维材料进入了大家的视野,并相继被开发和探索,比如,六角氮化硼(h-BN),硅,硫族化合物,黑磷,等。这些材料均在电子器件上表现出了良好的性质。最近,C3N和SnS两种材料由于优秀的电子结构性质使我们将目光聚焦在它们身上。另外,范德瓦尔斯异质结能够将不同材料的优点集于一身,进行进一步多功能电子器件的探索。因此,在本项工作中,我们主要讨论基于C3N和SnS异质结的电子性质。不同类型的异质结能够在不同的器件上有所应用。比如,类型I的异质结能够用于发光;类型II异质结能够用作光伏,催化器件;类型III异质结在隧穿场效应管上的潜能很大;而基于石墨烯的肖特基结又在场效应管的应用上有重要的意义。在本论文中,我们应用第一性原理方法,探究了全二维的C3N/InSe异质结,基于C3N nanoribbon的平面异质结,以及SnS nanoribbon/Graphene混合异质结的电子及输运性质,主要的研究内容和结果如下:(1)将二维C3N放置在InSe之上形成C3N/InSe异质结,此异质结在电场下的电子性质被计算。结果展示:C3N/InSe异质结形成了类型III能带对齐方式;在负向电场的作用下,电子的隧穿窗口会增大;而在正向电场的作用下,类型I,类型II及类型III三种能带对齐方式都可以形成;另外,C3N/InSe异质结的本征输运性质有很明显的负微分电阻现象。这说明C3N/InSe异质结在隧穿场效应晶体管方面有很大潜能,并且可能对于高频振荡器的研究有所帮助。而电场对C3N/InSe异质结电子性质的有效调控有利于多功能电子器件的探索。(2)边缘钝化对于C3N nanoribbon的影响以及相关肖特基结的输运性质被计算。C3N nanoribbon可以形成3种不同的类型,并且3种C3N nanoribbon全都有铁磁态金属基态。用H原子钝化以后,CC边缘仍然具有金属性,而CN边缘却具有了半导体性。另外,在部分钝化诱导的肖特基结中,延长半导体纳米带的通道长度会增加器件的整流比。在边缘对齐诱导的肖特基结中,对齐CC边缘相对于对齐CN边缘有更高的整流比和电流。这项工作可以对肖特基结的应用及发展有所帮助。(3)对于SnS nanoribbon和graphene所组成的混合异质结,我们计算了其电子结构,同时考虑了SnS nanoribbon宽度和F、Cl、Br原子钝化边缘的影响。发现边缘裸露的混合异质结均形成了p型肖特基接触,而钝化纳米带的边缘可以造成肖特基接触从p型到n型的转变,增加纳米带的宽度可以使异质结又偏向于形成p型肖特基接触。而肖特基垒的调节对于垂直场效应管有很重要的意义,希望这项工作对相关研究有所帮助。
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