二維過渡金屬硫化物及其異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)調(diào)控的第一性原理研究.pdf

1、自從石墨烯被發(fā)現(xiàn)后，二維材料由于其獨(dú)特的力、熱、光、電性質(zhì)以及在光電子器件、傳感器、場(chǎng)效應(yīng)管、和生物催化等領(lǐng)域潛在的應(yīng)用而受到了人們的廣泛關(guān)注。與石墨烯的零帶隙不同，過渡金屬硫化物(TMDs)由于適中的帶隙寬度和新奇的電子特性而成為人們研究的熱點(diǎn)。然而TMDs之所以成為研究的熱點(diǎn)不僅由于其本征材料性質(zhì)更重要的是其可調(diào)控的電子性質(zhì)。由于各向異性和獨(dú)特的晶格結(jié)構(gòu)，可以通過應(yīng)變、高壓、外加電場(chǎng)、吸附和摻雜等方式對(duì)二維TMDs的電子性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控

2、。與其他調(diào)控方式相比，外加電場(chǎng)不會(huì)對(duì)二維材料本身造成損壞，并且外加電場(chǎng)是可逆的，而迄今為止關(guān)于外加電場(chǎng)調(diào)控二維TMDs電子性質(zhì)的報(bào)道很少，這方面的工作值得進(jìn)一步開展。因此，本文采用基于密度泛函理論的第一性原理方法系統(tǒng)研究了二維過渡金屬硫化物及其異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控，得到了一些有意義的理論結(jié)果。期望這些理論結(jié)果能解釋一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和物理本質(zhì)，為過渡金屬硫化物材料電子器件的制備、設(shè)計(jì)和調(diào)控等相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。
　　1.外加電場(chǎng)對(duì)

3、多層TMDs電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控。計(jì)算結(jié)果表明外電場(chǎng)可以有效調(diào)控多層TMDs的帶隙寬度。帶隙寬度隨著外電場(chǎng)的增加線性減小，最終帶隙閉合由半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)榱私饘?，半?dǎo)體-金屬轉(zhuǎn)變的臨界電場(chǎng)取決于TMDs薄膜的層數(shù)。帶隙寬度隨外電場(chǎng)的變化快慢用巨斯塔克效應(yīng)系數(shù)來表征，巨斯塔克效應(yīng)系數(shù)即為變化曲線的斜率。巨斯塔克效應(yīng)系數(shù)與體系的層數(shù)成正比，我們預(yù)測(cè)其表達(dá)式為(N-1)c/2，N為體系的層數(shù)，c為層間距。
　　2外加電場(chǎng)對(duì)不同堆垛構(gòu)型的雙層TMDs

4、電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控。我們發(fā)現(xiàn)在雙層TMDs的五種堆垛構(gòu)型中，AB構(gòu)型最穩(wěn)定，AA'構(gòu)型次之。對(duì)AB構(gòu)型施加正電場(chǎng)以及對(duì)AA'構(gòu)型施加正負(fù)兩個(gè)方向的電場(chǎng)后，兩種構(gòu)型的帶隙寬度均隨著電場(chǎng)的增加而線性減小，而對(duì)AB構(gòu)型施加負(fù)電場(chǎng)后其帶隙寬度先增加到最大值然后開始減小，正負(fù)電場(chǎng)最終使AB和AA'構(gòu)型由半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)榱私饘?。正?fù)電場(chǎng)對(duì)AB構(gòu)型帶隙的調(diào)控有不同的效應(yīng)，其原因在于AB構(gòu)型的兩個(gè)單層之間存在著由于自發(fā)極化而產(chǎn)生的內(nèi)建電場(chǎng)，而正負(fù)電場(chǎng)對(duì)AA'構(gòu)

5、型帶隙的調(diào)控卻完全相同。
　　3.外加電場(chǎng)對(duì)基于TMDs的異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控。結(jié)果表明基于TMDs的范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)的能帶為Ⅱ類能帶組合方式，導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂為組成異質(zhì)結(jié)的不同單層的貢獻(xiàn)。Ⅱ類能帶組合的異質(zhì)結(jié)能夠促進(jìn)電子-空穴對(duì)的分離，增加載流子壽命，是構(gòu)筑太陽能電池和光電子器件的理想材料。其帶隙寬度隨著外電場(chǎng)的增加線性減小，最終異質(zhì)結(jié)由半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)榱私饘?。異質(zhì)結(jié)中存在的自發(fā)極化現(xiàn)象使得帶隙寬度對(duì)正負(fù)電場(chǎng)的響應(yīng)不同。組成異質(zhì)結(jié)的不

6、同單層的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂能夠被外電場(chǎng)有效調(diào)控，并隨著外電場(chǎng)線性變化。對(duì)異質(zhì)結(jié)施加負(fù)的外加電場(chǎng)時(shí)，異質(zhì)結(jié)可在typeⅠ和typeⅡ之間轉(zhuǎn)換，這表明外加電場(chǎng)能夠有效調(diào)控異質(zhì)結(jié)的類型，對(duì)光電子器件的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。
　　4.探討了了外加電場(chǎng)對(duì)graphene/WS2異質(zhì)結(jié)肖特基勢(shì)壘的調(diào)控。我們發(fā)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)中的單層WS2和graphene間的相互作用為微弱的范德瓦耳斯作用，組成異質(zhì)結(jié)的graphene和單層WS2很大程度上保留了各自獨(dú)立

7、的電子結(jié)構(gòu)。單層WS2和graphene形成異質(zhì)結(jié)后，在兩者界面處為n型肖特基接觸，并導(dǎo)致graphene層為p型摻雜。對(duì)異質(zhì)結(jié)施加正的外電場(chǎng)后，n型肖特基接觸在外電場(chǎng)為1.35 V/nm時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榱藀型肖特基接觸，并進(jìn)一步在3 V/nm時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榱藲W姆接觸。當(dāng)負(fù)的外電場(chǎng)小于-0.55 V/nm時(shí)，異質(zhì)結(jié)依然為n型肖特基接觸，當(dāng)負(fù)的外電場(chǎng)超過-0.55 V/nm后在異質(zhì)結(jié)中再次形成了歐姆接觸。因此，外電場(chǎng)可以有效調(diào)控graphene/WS2