- 上一篇：MATLAB光学涡旋的动态传输特性研究
- 下一篇：反铁磁体半金属材料的研究进展
在这个科技发展越来越快的世界中，科技发展到一定程度时就会进入一个瓶颈期，这时候新型的二文纳米材料的出现将会对现在的发展起到至关重要的推动作用。近年来，二文晶体纳米材料因其优越的光电特性，逐渐成为半导体材料研究的新领域[3, 4]。二文晶体是由几层单原子层堆叠而成的数量级在几纳米几十纳米之间的平面晶体。目前，人类所知的最薄材料是石墨烯[3]，它是由单层碳原子构成的751角蜂窝网状结构。事实上，这种由单一元素组成的非金属材料的选择是非常有限的。碳是元素周期表中第二周期的固态非金属。第三周期包含两个这样的元素：磷和硫。磷是氮族元素，像这样的，通常会形成三个连接。这意着有可能产生一个平面的磷原子，每个原子有三个邻居，从而出现平面结构的二文磷元素单晶体。
继石墨烯、二硫化钼等二文材料之后，复旦大学和中国科学技术大学合作成功研制出一种新型二文半导体纳米材料——黑磷（Black Phosphorus）[5, 6]。黑磷由单层的磷原子堆叠而成，是禁带宽度为0.33eV的p型半导体材料[7, 8]。作为一种半导体材料，黑磷可谓是当中的佼佼者。把黑磷做成纳米厚度的二文晶体后，发现它有非常好的半导体性质，这样就能用在未来的集成电路里。并且黑磷二文晶体有良好的电子迁移率（~1000cm2/Vs），还有非常高的漏电流调制率（是石墨烯的10000倍），与电子线路的传统材料硅类似。目前，相应的场效应晶体管器件已经成功制备出来了，它将有可能替代传统的硅，成为微纳电子线路的基本材料。黑磷是继石墨烯、二硫化合物（如MoS2、WS2等）[9-11]之后新出现的二文半导体纳米材料，在纳米晶体管、光电探测器、电极材料等领域都具有潜在的有用价值。
能带结构是决定材料光电性质的重要方面。材料的很多物理性质，包括光电特性，可以通过分析材料的能带结构来进行非常可靠的预测。这已经在很多具体的材料中得到了验证。对于半导体材料而言，导带和价带之间的能带带隙（禁带）宽度，带隙类型是非常关键的参数[12]。比如说，绝缘体有很大的带隙，这使得它很难通过控制栅极电压来调节它的导电特性，所以不能用绝缘体来制作二极管等器件，而金属由于其带隙为零，导带和价带是重叠在一起的，也不能通过栅极电压控制其导电能力。此前研究得非常热门，曾被寄予替代传统硅材料成为未来电子电路基本材料的石墨烯由于它是带隙为零的半金属，难以通过栅极电压有效控制导电通道通断，使得石墨烯制作出来的晶体管的开关比很低，漏电流比较大，虽然人们想出了很多办法来打开石墨烯的带隙，比如修饰掺杂、施加应力、加电场、采用双层石墨烯等，但是这些复杂的工艺无疑会提高制作成本、降低成品率和器件的可靠性，因此人们将关注点转移到了，本身具有较大带隙的二硫化物上，如单层MoS2具有1.8eV的带隙宽度[9]，非常适合于制作晶体管，但是随着研究的深入人们开始发现MoS2的不足之处。通常制备出来的MoS2二文纳米薄膜会存在数量可观的S空位缺陷[13]，而这种缺陷又会在MoS2的禁带中引入杂质态，使得MoS2的有效禁带宽度急剧减小，甚至成为带隙为零的金属。正是由于MoS2这一难以解决的现实材料制备难题，人们才又将兴趣转移到了下一个二文纳米材料，也就是黑磷，单层的黑磷也称为磷烯。如果能够通过合适的手段控制黑磷的带隙宽度对于拓展它的实际应用是非常有意义的。
1.2 本文的工作
本论文将利用第一性原理的方法，在超晶格模型近似的基础上对1～8层不同厚度的黑磷薄膜的能带结构进行研究，分析带隙宽度与厚度之间的依赖关系，同时研究1～3层黑磷薄膜在不同大小应力作用下的能带结构变化，分析带隙宽度变化和带隙类型的转变。通过研究将有可能提供调控黑磷能带结构的有效手段，从而为黑磷的实际器件应用奠定理论基础。