| 题名 | 半导体纳米材料掺杂和应力调控的第一性原理研究 |
| 作者 | 陈卉 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2016-05-03 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 李京波研究员 |
| 关键词 | 纳米半导体材料 本征缺陷 掺杂原子 电子性质 磁性 应变 第一性原理计算 |
| 学位专业 | 凝聚态物理 |
| 中文摘要 | 自从稳定的石墨烯被成功分离出来，像石墨烯这类二维层状材料因其具有极高的载流子迁移率和杨氏模量及自旋输运等奇特的物理性质而引起人们广泛关注。近来，这类二维材料已经应用于催化剂、储能、光学器件和传感电学器件等科学技术领域。为了充分发挥它们的应用前景，研究这类材料制备过程中产生晶格缺陷和结构形变对电子和磁学性质的影响，显得尤为重要。本文主要围绕GaS、TiS3和ReSe2这三种二维层状材料展开深入研究，利用第一性原理方法探究它们内部缺陷和结构形变产生的微观物理性质变化，主要研究内容和结论如下： （i）用密度泛函理论系统研究单层和体材料GaS中镓空位VGa、硫空位VS、镓替代硫GaS、硫替代镓SGa、镓间隙Gai和硫间隙Si这6种本征点缺陷的电子和磁性性质。对单层材料，除Si外，所有缺陷结构的带隙中都存在缺陷能级。在VGa和Gai中，存在半金属性。含有VGa、GaS、SGa和Gai的单层材料及含有VGa、GaS和SGa的体材料总磁矩均为1.0 μB；而含有VS和Si的单层材料及含有Gai的体材料均为自旋非极化。另外，N和P型GaS单层材料分别在富镓和富硫环境下容易得到，GaS和SGa分别为最适宜的N和P型缺陷。（ii）用第一性原理方法系统研究GaS单层材料掺杂12种不同原子的结构、电子和磁性性质。在非金属原子H、B、C、N、O和F及过渡金属原子V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni掺杂硫位中，N是最具前景的P型掺杂。无论在富镓还是富硫环境下，过渡金属原子都难以融入GaS单层材料中。非金属原子掺杂的GaS总磁矩为0 μB或1 μB，而过渡金属杂质的磁矩随着由V到Ni价电子数增加而由5 μB减少到0 μB。对于过渡金属掺杂镓位，Cr和Co上自旋态分别距离导带底和价带顶最近。这些杂质掺杂的所有单层材料都存在磁性基态。引入B和Mn占据硫位及V、Fe、Co和Ni占据镓位从一种自旋轨道将GaS单层材料间接带隙调节为直接带隙。（iii）利用第一性原理探讨了体材料和多层TiS3的结构和电子性质以及平面内应力对TiS3单层材料电子性质的影响。对于多层TiS3，带隙随着层数增加而减小，但都是直接带隙半导体，且价带顶和导带底均位于Γ点；TiS3体材料为间接带隙。由体材料和多层TiS3载流子有效质量得到，多层材料比体材料表现出更强烈的各向异性。在弹性形变范围内施加沿a方向单轴应力εa、沿b方向单轴应力εb和双轴应力εu对TiS3单层材料电子性质的影响不同。εa和εu都使TiS3保持直接带隙，应力可以使带隙从0.08 eV到1.89 eV实现连续调节，这使得TiS3成为未来光电器件极具前景的材料。 （iv）实验结果表明，在到达断裂极限前，纳米级的局部应力可以调控ReSe2的光学带隙，诱导磁性产生，并且可以改变其电子和磁性性质。理论上，用第一性原理方法解释了ReSe2产生褶皱后带隙减小的实验机理，并证明了褶皱结构产生磁性。 |
| 语种 | 中文 |
| 学科主题 | 半导体物理 |
| 公开日期 | 2016-05-31 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.semi.ac.cn/handle/172111/27094]  |
| 专题 | 半导体研究所_半导体超晶格国家重点实验室 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 陈卉. 半导体纳米材料掺杂和应力调控的第一性原理研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2016. |
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