【摘 要】
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石墨烯的成功制备证明了二维材料在常温下能够保持稳定,引发了人们的广泛关注。由于二维材料具有独特的结构和性能,被认为可以应用到未来电子与光电子领域中。随着现代科学技术研究的不断深入,研究人员发现结合两种二维材料组成的异质结构可以进一步改善单一材料的性能,并且具有独特的光学和电子性能。因此,探索由两种或几种二维材料叠加构成的二维异质结构成为了材料领域研究的热点。本文中使用材料模拟软件Materials
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石墨烯的成功制备证明了二维材料在常温下能够保持稳定,引发了人们的广泛关注。由于二维材料具有独特的结构和性能,被认为可以应用到未来电子与光电子领域中。随着现代科学技术研究的不断深入,研究人员发现结合两种二维材料组成的异质结构可以进一步改善单一材料的性能,并且具有独特的光学和电子性能。因此,探索由两种或几种二维材料叠加构成的二维异质结构成为了材料领域研究的热点。本文中使用材料模拟软件Materials Studio,通过第一性原理计算方法,模拟计算硅醚/石墨醚异质结、硅醚/氮化硼异质结和硅醚/硅烯异质结的结构与光电性质。所研究的成果如下:(1)在第一个工作中,基于第一性原理计算了单层硅醚和石墨醚,以及将这两种材料堆叠形成硅醚/石墨醚异质结的电子、光学性质。研究了双轴应变与外加电场对硅醚/石墨醚的影响。结果表明,硅醚/石墨醚异质结的间接带隙为0.63 e V,该值小于单层石墨醚和硅醚的带隙。通过调节应变和电场强度,可以调整硅醚/石墨醚异质结构的带隙。特别是在压缩应变下,异质结构存在间接带隙向直接带隙的转变,这有利于它在灵敏型光电器件中的应用。硅醚/石墨醚异质结构的吸收系数在紫外光区出现强峰,在110 nm处的最大吸收系数可达1.7×105cm-1。与单层石墨醚和硅醚相比,异质结构的光吸收能力在80 nm-170 nm范围内明显增强,结果表明硅醚/石墨醚异质结构具有突出的紫外吸收能力。本工作可为纳米器件提供一种具有潜在应用前景的新型材料。(2)在第二个工作中,设计了硅醚/六方氮化硼异质结构,并成功预测出三种结构。通过考虑12种堆砌方式,找到了最稳定的堆砌构型和最佳层间距。在该堆砌方式下,这三种结构都是稳定构型。研究发现,这三种结构中取硅醚和氮化硼晶格常数平均值组合成的异质结构是直接带隙,其余两种情况都是间接带隙。它们的导带底和价带顶主要是由硅醚层贡献的。此外,差分电荷密度表明异质结构层间没有发现显著的电荷转移的情况。通过对比应变下单层硅醚的能带结构,发现硅醚与氮化硼的层间相互作用会对晶格产生应力,从而可以有效调控硅醚的能带结构。其中,固定氮化硼晶格的结构中有最明显的调控作用。这一研究表明可以在原子层面定向改变硅醚的能带结构,对指导实验工作有一定的意义。(3)最后,我们预测了硅醚/硅烯异质结构,并计算其电子和光学性质。结果表明,硅醚/硅醚异质结构是一种新型的二维材料。在费米能级附近的狄拉克点处,不同堆砌方式的硅醚/硅烯异质结构中硅烯的带隙打开范围为18-31 me V。由于界面距离的相互作用,堆砌方式为Ⅳ的异质结构在层间距为2.71(?)时结合能最低,说明是最稳定的结构。此外,硅醚/硅烯异质结构中的带隙开口可以通过施加外部电场来调节。计算结果表明,电场可以将硅醚/硅烯异质结构的带隙调整从0 e V到0.184 e V。随着层间距离的调制,带隙会发生直接和间接的转变。光学吸收谱显示,相比于单层硅烯和硅醚,硅醚/硅烯异质结构在紫外光到红外光区域范围内表现出更强的光吸收能力,并在紫外光区域出现强峰,高达1.23×105 cm-1。硅醚/硅烯的异质结构可能为纳米器件的应用提供一种新型的二维材料。
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