磷烯类同质/异质结电子结构第一性原理研究

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磷烯具备104 cm2V-1s-1载流子迁移率和1 eV可见光响应带隙特性,是后硅基时代半导体材料的优良备选之一。鉴于同质/异质结除了能继承父系材料的主要电子结构性质外,往往还显示出易于调控的电学性质,构造磷烯类同质/异质结已成为进一步改善和调控磷烯类半导体器件性能的有效手段。本文选取了三种典型的磷烯类同质/异质结:磷烯/六角氮化硼(P/h-BN)异质结、90?旋转双层磷烯同质结、硒化钨/碘化铬(WSe2/CrI3)异质结,利用第一性原理计算的方法对这些材料的载流子迁移率、载流子有效质量各向异性、谷电子特性等电子结构性质进行了研究。另外,考虑到实际应用通常采用应力、电场等手段调控材料性质,本论文对这三种材料的电子结构性质在应力、外电场的响应情况也作了讨论,得到的主要结论如下:1.h-BN衬底的引入,使P/h-BN异质结的二维弹性模量提高了约160 J/m2;同时h-BN衬底的宽带隙特征,使异质结费米能级附近的电子结构保留了P的载流子有效质量和形变势,异质结的空穴迁移率相较于磷烯提升了近10倍。2.90?旋转使P的原子结构在扶手椅方向和锯齿链方向相互补偿,电子结构性质表现为载流子各向异性消失;通过施加面内单轴应变,结构对称性被打破,应变敏感的空穴各向异性得到恢复:在x方向应变作用下,空穴沿Γ-X方向的有效质量为沿Γ-Y方向的6倍;在y方向应变下,空穴沿Γ-X方向和Γ-Y方向的有效质量比值变为1/6。而对于应变非敏感的电子在应变施加过程中,有效质量基本保持各向同性。3.WSe2/Cr I3异质结价带顶由WSe2贡献,保留了WSe2的谷电子特性;导带底由Cr I3贡献,形成第II类型能带排布,使电子和空穴跃迁易于区分。在电场作用下,磁性CrI3与WSe2谷电子赝自旋发生作用,诱导谷电子能级发生10.3meV的劈裂。此外,由于电场的Stark效应,异质结带隙出现了从半导体到金属的演化,临界场为0.06 V/?.而能带排列出现了从类型II到类型I的演化的临界场为-0.03 V/?.
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