砷烯、锑烯及二维砷锑化合物电声子散射和迁移率的第一性原理研究

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载流子迁移率是反映半导体输运性质的一个重要参数,而室温下的电-声子散射是影响热载流子本征输运的主要因素。本论文通过基于密度泛函微扰理论(Density Functional Perturbation Theory,DFPT)的第一性原理方法,结合瓦尼尔插值函数,研究了砷烯、锑烯及二维砷锑化合物的电-声子散射,并在此基础上结合玻尔兹曼输运方程计算了声子限制下的二维砷锑化合物的空穴和电子的迁移率。具体研究内容如下:(1)我们首先分析了砷烯和锑烯的电子结构,接着比较了这两个二维材料的电-声子散射。在电-声子散射的计算结果基础之上,进一步对比了两个体系的载流子驰豫时间和平均自由程。结果表明:两个结构的散射率有相同的变化趋势,在价带顶(VBM)和导带底(CBM),散射率有极小值,随着能量的增加,散射率也相应的增加。同时我们又研究了光学波声子和声学波声子对驰豫时间的影响。结果显示,两种结构中,价带顶处声学波声子有较大的驰豫时间,在砷烯和锑烯中的最大值分别为144 fs和250 fs。而在导带底光学波声子的驰豫时间值较大,其值分别为35 fs和38 fs。在此基础上,计算得到两个体系的热电子和热空穴的平均自由程分别为8、21 nm和7、22 nm。(2)我们对二维砷锑化合物的电-声子散射进行探讨,并详细分析了六支声子模对散射率和驰豫时间的影响,在此基础上又计算了载流子迁移率。计算结果表明:在价带顶和导带底光学分支对散射率的影响要大于声学分支。而对单支声子模的计算表明,在价带顶处横向光学声子模对散射的影响比其余五支声子模大,远离带隙时,纵向和面外声学声子模对散射的贡献大于其余声子模。横向光学声子模是影响电子在整个能级范围内散射的主要因素,对电-声子矩阵元的分析验证了这一结果。最后我们算得该二维化合物材料中热电子和热空穴的最佳提取范围分别为8 nm和20 nm。由于二维砷锑的面内净偶极矩,室温下其本征电子(空穴)迁移率为38(50)cm2?V-1?s-1,均小于单层砷烯和锑烯。
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