基于V族的二维材料的电子结构与性能调控.pdf

摘要

信息时代创造的各种奇迹离不开半导体行业的蓬勃发展，而半导体技术的革

新很大程度上依赖于材料科学的发展。自从石墨烯被发现以来，二维材料由于其

独特的结构和多样的性质引起了研究人员的广泛兴趣，因而越来越多的其他二维

材料也相继被发现。目前已经有大量二维材料被通过理论计算预测并在实验室成

功合成。这些材料因其独特的电子性质和高的比表面积而在物理学、材料科学、

电子科学等领域有广泛的应用前景。

当前，制造先进的电子和光电子应用，需要具有高载流子迁移率和足够电子

带隙的新型二维材料。V族半导体材料显示出可接受的带隙和高载流子迁移率，

因此在光电应用方面备受期待。随着理论计算对二维材料的预测研究的深入，各

种新型二维材料及其非凡的理化特性不断被发现。在本文中，我们基于第一性原

理，对基于V族的二维材料（V-V，III-V）进行了系统研究。主要研究内容如下：

（1）氧功能化的AsP单层的电子结构，压电性质和光学性质研究：我们利

用DFT研究了b-AsP单层和及其三种氧功能化体系的优化几何结构、电子结构、

载流子迁移率、压电性能和光学吸收性能。计算预测原始AsP和三个氧功能化的

单分子层具有很强的各向异性有效质量和载流子迁移率，并且氧功能化可以将P-

SO单分子层的电子迁移率进一步提高。双轴应变使得所有氧功能化材料的带隙

均呈现非单调变化。此外，O原子的加入可显著提高d11和d13的压电系数。对单

层材料的电子和光学性质的研究表明，三种氧功能化的b-AsP体系（FO,As-SO

和P-SO）可能是光电子和光伏潜在应用的潜在候选。

（2）正交相III-V单层材料的电学、力学和光学性质的单轴应变调控：我们

进行了第一原理计算，以研究应变对正交III-V二维材料（BN、BP、BAs、AlN、

AlP和GaN）的力学、电子和光学性质的影响。我们的结果表明，所有这些单层

在杨氏模量、剪切模量和泊松比方面都表现出优异的各向异性。施加单轴应变可

以有效地调制这些单层的带隙。光学性质研究表明，所有正交III-V二维材料的

光学吸收都表现出高度各向异性。优异的各向异性和可调控的电子、力学和光学

性能表明，正交III-V单层是光电子和光伏潜在应用的有前途的候选者。

（3）正交相BN单层材料对有毒气体分子的吸附性能研究：我们研究了BN

对CO、HS、NH、NO、NO和SO等六种气体的吸附性质。根据态密度和恢

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复时间分析，我们发现正交相BN单层可用于室温下检测NO和SO气体，同时

2

在高温下检测NO2气体分子时或许具有可重复使用的特性。功函数与灵敏度研

究表明正交相BN单层探测NO2和SO2气体分子传感器的有前途的候选二维材

料。我们的工作为设计基于BN的高性能NO2和SO2气体传感器提供了可供参

考的选择。

关键词：第一性原理计算；III-V族二维材料；电子能带结构；应力调控；化学功

能化

Abstract

ThevariouswonderscreatedintheInformationAgeowemuchtothebooming

developmentofthesemiconductorindustry.Theinnovationinsemiconductor

technologyheavilyreliesontheadvancementsinmaterialsscience.Sincethediscovery

ofgraphene,two-dimensionalmaterialshavegarneredwidespreadinterestamong

researchersduetotheiruniquestructuresanddiverseproperties.Asaresult,an

increasingnumbe