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摘要随着科学技术的飞速发展，新材料成为科学家努力研究的重要课题。近年来，二文晶体因其优越的电气特性，成为半导体材料研究的新方向。继石墨烯、二硫化钼之后，科学家又发现了一种新型二文半导体材料——黑磷，并成功制备出相应的场效应晶体管器件，它将可能替代传统的硅，成为电子线路的基本材料。然而黑磷的电子能带结构尚未得到很好的研究，如何通过掺杂来调节黑磷的能带结构，从而提供各种各样不同的性能以及应用，是非常有意义的课题。本论文主要利用第一性原理的方法经研究氢、氮、铁等元素修饰、掺杂情况下的黑磷电子结构性质，并探讨可能的实际器件应用。研究表明，氢、氮、铁等元素的修饰掺杂都是黑磷的能带结构发生显著的变化，而过渡金属铁、钴、镍等元素的掺杂在改变能带结构的同时，可使黑磷转变为磁性材料，可用于未来的自旋电子器件。30702
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关键词 黑磷 掺杂效应 密度泛函理论 能带结构
毕业论文设计说明书外文摘要
Title A study of the effect of doping on the electronic properties of black phosphorus nano films
Abstract
With the fast progress of science and technology, finding new materials has become an important subject of scientist. Recently, two dimensional crystals has been the new direction for new material discovery for their unique electronic properties. Preceded by the discovery of graphene and MoS2, scientists found a new kind of two dimensional materials, black phosphorus, and transistor based on black phosphorus has been successfully manufactured in laboratory. It can replace the conventional semiconductor material, silicon, and become the base of electronic circuits. However the electronic structure of black phosphorus has not been thoroughly studied. How to alter the electronic structure of black phosphorus by doping and let it present a variety of properties is an interesting subject. In this thesis, first-principles calculation method is used to study the property of black phosphorus with H, N, Fe etc. dopants, and the possible technology application is addressed. The study shows that the introduction of H, N, Fe, etc dopants can greatly change the electronic properties of black phosphorus. The doping of Fe, Co, Ni transition metal not only changes the band structure of black phosphorus but also yields magnetism in these materials, and this property is useful for future spintronic devices.
Keywords Black phosphorus Doping effect Density functional theory Band structure
目 次
1 引言 1
1.1黑磷简介 1
2第一性原理计算方法概述 4
2.1密度泛函理论 4
2.2交换关联泛函选择 5
2.3 GGA中的PBE选择 6
2.4赝势平面波方法 6
2.5结构优化7
2.6 Dmol3软件的简单介绍7
3计算模型及计算参数设置细节 10
4 非金属元素掺杂黑磷纳米薄膜电子性质调控的研究 11
4.1 黑磷晶体及单层结构和电子性质11
4.2 非金属元素掺杂单层黑磷的结构和电子性质 13
5 过渡金属元素掺杂黑磷纳米薄膜电子性质调控的研究19
5.1 Fe吸附单层黑磷的结构和电子性质 19
5.2 其他过渡族金属元素掺杂单层黑磷的性质20
结论 23
致谢 24
参考文献25
1 引言
在目前科学技术发展日新月异、具有有力的技术保障的情况下，在过去的几十年间二文纳米材料取得了令人瞩目的进展。[1,2]关于二文纳米材料的制备，我们一般从大块的层状晶体中制取，如石墨或二硫属化物。这些固体大都包括一层或者多层的原子层，这些原子层由共价键结合，之间相距一个范德华距离。单层的二文材料可以通过机械剥离法，液体剥离法等制得；两层乃至多层的二文材料可以通过气相沉积法制得。比如近日来美国布朗大学的科学家运用此方法使用硅碲化物在一个管式炉中合成出有多层结构的二文半导体纳米材料。制备出的不同材料拥有不同的结构，晶格有不同的排列方式，拥有不同的属性和用途。二文材料展示了其独特的物理性质，[3]这些性质也被他们所对应的块材所拥有，包括电荷密度波，拓扑绝缘体，[4]二文电子气的物理、超导现象，自发磁化和各向异性的传输特性等。二文层状材料在电池，电致变色显示、化妆品、催化剂和固体润滑剂等方面有着一系列广泛的应用。同层的连续减薄到单层尺寸，层状块材料的固有性质将被改变，随着该领域研究的不断壮大，许多单层材料具有的物理、电子特性以及结构性能出现了。