摻Te磷烯的電子結(jié)構(gòu)研究吳健虢

摻Te磷烯的電子結(jié)構(gòu)研究

姓名：吳健虢學(xué)號(hào)：2011031010035指導(dǎo)老師：鐘志親1、本征磷烯2、摻雜濃度1/153、摻雜濃度1/3

新型二維材料繼石墨烯、二硫化鉬之后，2014年3月在《自然·納米技術(shù)》雜志上，復(fù)旦大學(xué)物理系張遠(yuǎn)波教授課題組發(fā)現(xiàn)了一種新型二維半導(dǎo)體材料——黑磷，并成功制備了相應(yīng)的場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件，它將有可能替代傳統(tǒng)的硅，成為電子線路的基本材料。性質(zhì)：1、光學(xué)性能。其帶隙是直接帶隙，而傳統(tǒng)的硅或者硫化鉬等都是間接帶隙，這意味著黑磷和光可以直接耦合，這個(gè)特性讓黑磷成為未來(lái)光電器件的一個(gè)備選材料。2、電學(xué)性能。當(dāng)二維黑磷材料厚度在10納米時(shí)，獲得最高的遷移率值大約1000平方厘米每伏每秒。這些性能表明，二維黑磷場(chǎng)效應(yīng)晶體管在納米電子器件應(yīng)用方面具有極大的潛力。

黑磷是磷的一種同素異形體,由單層磷原子堆疊而成二維半導(dǎo)體材料。一、本征磷烯優(yōu)化前優(yōu)化前優(yōu)化后LengthA3.31000?3.27382?LengthB4.38000?4.663446?LengthC23.00000?24.66346?AngleAlpha90.00090.000AngleBeta90.00090.000AngleGamma90.00090.000鍵長(zhǎng)P1—P32.169?2.203?鍵長(zhǎng)P2—P42.169?2.203?鍵長(zhǎng)P1—P43.310?2.249?鍵長(zhǎng)P2—P31.697?2.249?99.47895.990107.473104.784107.473104.7841、能帶結(jié)論：（1）從圖中可看出導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)奈恢?，都位于G點(diǎn)。（2）磷烯是一種直接帶隙半導(dǎo)體（3）禁帶寬度Eg=0.927eV（4）由于電子的有效質(zhì)量與能量對(duì)k的二階導(dǎo)成反比，故可以看出沿著路徑G到Z方向的電子有效質(zhì)量小于沿著G到Y(jié)方向的電子有效質(zhì)量，因此，G到Z方向的電子遷移率更大。即遷移率為各向異性的。2、態(tài)密度分析：1、由Dos圖可以看出導(dǎo)帶和價(jià)帶的位置2、在價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底附近態(tài)密度主要由3p軌道進(jìn)行貢獻(xiàn)，而其余三個(gè)軌道對(duì)態(tài)密度的貢獻(xiàn)可以忽略；從整體上看，其余軌道的作用很小，3p軌道貢獻(xiàn)較大。3、差分電荷密度分析：1、紅色區(qū)域代表電子增加的區(qū)域，藍(lán)色區(qū)域代表電子減少的區(qū)域，相鄰兩個(gè)p原子之間出現(xiàn)紅色區(qū)域，表示相鄰兩個(gè)p原子存在公用電子。呈共價(jià)鍵特性。4、布居SpeciesIonspdftotalCharge(e)P11.763.240.000.005.000.00P21.763.240.000.005.000.00P31.763.240.000.005.000.00P41.763.240.000.005.000.00分析：各p原子之間沒(méi)有得失電子，電子主要分布在p軌道和s軌道分析：1、從上表中我們可以看到，布居值都為正值，表示原子之間成正鍵，P1-P3和P2-P4的布局值明顯大于P2-P3和P1-P4，因此，P1-P3和P2-P4之間的鍵要更穩(wěn)定，共價(jià)鍵成分越多；2、鍵長(zhǎng)和布局值成負(fù)相關(guān)的關(guān)系，即，相同原子間布局值越大，鍵長(zhǎng)越小，原子之間作用力越強(qiáng)。BondPopulationLength(?)P1--P30.862.20286P2--P40.862.20286P1--P40.392.24905P2--P30.392.24905二、摻雜濃度1/15計(jì)算參數(shù)參數(shù)值LengthA35.1892(?)LengthB6.61754(?)LengthC9.14171(?)AngleAlpha90.0000AngleBeta94.5157AngleGamma90.0000Energycutoff

310(eV)K-pointset1*1*11、能帶結(jié)論：（1）從圖中可看出導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)奈恢茫?）磷烯是一種直接帶隙半導(dǎo)體（3）禁帶寬度Eg約為1.285eV（4）由于電子的有效質(zhì)量與能量對(duì)k的二階導(dǎo)成反比，故可以看出沿著路徑G到Z方向的電子有效質(zhì)量小于沿著G到Y(jié)方向的電子有效質(zhì)量，因此，G到Z方向的電子遷移率更大。即遷移率為各向異性的。(5)摻雜后產(chǎn)生孤立能級(jí)2、態(tài)密度分析：1、由Dos圖可以看出導(dǎo)帶和價(jià)帶的位置2、在價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底附近態(tài)密度主要由3p軌道進(jìn)行貢獻(xiàn)，而其余三個(gè)軌道對(duì)態(tài)密度的貢獻(xiàn)可以忽略；從整體上看，其余軌道的作用很小，3p軌道貢獻(xiàn)較大。同本征磷烯的態(tài)密度特征相差不多。3、差分電荷密度摻雜的Te原子明顯改變了電子分布，Te原子周圍失去電子，而和Te相鄰的P原子得到電子4、布居SpeciesIonspdftotalCharge(e)p11.763.230.000.004.990.01p21.75

3.280.000.005.03-0.03p31.763.210.000.004.980.02p41.833.200.000.005.03-0.03p51.763.230.000.004.990.01p61.753.280.000.005.03-0.03p71.763.210.000.004.980.02p81.833.200.000.005.03-0.03p91.773.240.000.005.01-0.01p101.773.220.000.004.990.01p111.783.260.000.005.04-0.04p121.783.230.000.005.000.00p131.763.250.000.005.01-0.01p141.773.220.000.004.990.01p151.823.310.000.005.12-0.12Te11.923.860.000.005.780.22摻雜后Te原子失去電子，提供給與Te相鄰的P原子（P4、P8、P15）BondPopulationLength(?)BondPopulationLength(?)P7--P15

0.532.17345P3--P12

0.47

2.23691P3--P15

0.532.17345P7--P12

0.47

2.23691P6--P13

0.502.20183P5--P8

0.37

2.25303P2--P130.50

2.20183P1--P4

0.37

2.25303P4--P11

0.43

2.20317P6--P70.362.25951P8--P11

0.43

2.20317P2--P3

0.362.25951P2--P9

0.48

2.20567P13--P14

0.35

2.26603P6--P90.482.20567P9--P100.38

2.26948P5--P14

0.48

2.20668P11--P12

0.392.29481P1--P14

0.482.20668P8--Te1

0.34

2.50457P1--P10

0.49

2.21698P4--Te10.342.50457P5--P10

0.49

2.21698P4--P8

-0.24

2.95470三、摻雜濃度1/3計(jì)算參數(shù)參數(shù)值LengthA27.4431(?)LengthB3.39074(?)LengthC4.69174(?)AngleAlpha90.0000AngleBeta85.8320AngleGamma90.0000Energycutoff

310(eV)K-pointset1*1*11、能帶結(jié)論：（1）從圖中可看出當(dāng)摻雜（1/3）的磷烯半導(dǎo)體為零帶隙（2）費(fèi)米能級(jí)進(jìn)入導(dǎo)帶2、態(tài)密度分析：摻雜后不存在帶隙，從整體上看，3p軌道對(duì)態(tài)密度貢獻(xiàn)較大，其余軌道對(duì)態(tài)密度貢獻(xiàn)很?。慌c本征情況類似3、差分電荷密度摻雜的Te原子明顯改變了電子分布，Te原子周圍失去電子，而和Te相鄰的P原子得到電子4、布居AtomicPopulationsSpeciesIonspdftotalCharge(e)P11.833.190.000.005.02-0.02P21.873.370.000.005.24-0.24P31.773.210.000.004.980.02Te11.903.860.000.005.750.25分析：電子主要分布于p軌道和s軌道，P1和P3都是s軌道得到電子，p軌道失去電子。P2則是s、p軌道都得到電子，Te原子失去電子提供給P1和P2BondPopulationLength(?)P2--P30.372.22888P1--P30.912.24369P2--Te10.062.63563P1--Te10.202.72471分析：P1--P3的布居最大，故成鍵最穩(wěn)定