电子-声子散射对二维材料电子输运性质的影响

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自石墨烯问世以来,二维层状材料凭借其奇特的电子性质以及广泛的应用前景而备受关注,特别是其二维的几何特性更适合当前的半导体工业的生产工艺。因此,二维层状材料在未来各种超薄电子器件的设计生产中将会扮演很重要的角色。除了其出色的电子性质之外,如高载流子迁移率和丰富的拓扑性质,二维层状材料还可通过多种实验手段,如应力和外场等,调控其电子性质,因而引起了广泛的研究兴趣。其中,尤其以对二维层状材料电输运性质的研究更引人注意。影响材料输运性质的因素有很多,例如,电子-电子相互作用、晶格振动(声子)、位错以及杂质等都可能造成载流子散射从而影响材料的输运性质。因此,澄清不同散射机制对材料导电能力的影响程度非常重要。在低温时,影响器件的输运性质的物理机制主要是各种杂质对载流子的散射。在室温下,器件的输运性质则主要受电子-声子散射影响。衡量器件输运性能的关键因素为载流子迁移率。近年来,在实验和理论计算方面皆有很多工作围绕器件的载流子迁移率展开。实验上测得的一些新型二维材料的载流子迁移率都比石墨烯的迁移率小,通过施加应变或改变衬底等技术手段可以有效地调节器件的载流子迁移率。在理论计算方面,早期的一些理论工作采用半经验模型,譬如形变势模型和压电势模型等来计算由电声子相互作用制约的迁移率。而这些半经验模型一般依赖于经验参数,在实际应用中具有一定的局限性。为了能定量地解释实验现象或预见具体材料的电输运性质,我们利用密度泛函理论和密度泛函微扰理论,从第一原理计算层面得到具体材料的电子-声子相互作用矩阵元,并进一步研究受电子-声子散射影响的电子输运性质。但计算电子-声子散射造成的具体材料的电导率或载流子迁移率需要对细密的k和q网格(电子和声子波矢在布里渊区的取样)进行求和才能得到收敛的结果,因此,本文利用Wannier插值技术得到细密网格下的电子-声子相互作用矩阵元,在保证计算结果收敛的前提下,极大地减少了数值计算量。然后从Boltzmann输运理论出发,利用迭代方法以及Ziman电阻率公式数值求解电子分布函数,进而研究电输运性质。利用该方案,本论文工作主要研究了MoS2单层的电子迁移率和空穴迁移率以及铅烯的本征电阻率。首先,我们研究了室温下单轴拉伸应变对电子-声子散射主导的n型MoS2单层的载流子迁移率的影响。一系列的数值结果表明,可以通过单轴拉伸应变有效地调节锯齿形(zigzag)方向的载流子迁移率。当在平行(垂直)zigzag方向上施加适当的单轴拉伸应变时,zigzag方向的载流子迁移率表现出明显的降低(增强)。例如,当应变为7%时,沿扶手椅(armchair)方向和zigzag方向施加应变所对应的载流子迁移率相差两倍。另一方面,无论沿哪个方向施加单轴拉伸应变,armchair方向的载流子迁移率的改变都不明显。接下来我们深入分析了不同应变对迁移率影响的物理原因。我们发现单轴拉伸应变引起的电子能带结构的改变以及导带电子与纵声学支声子之间的相互作用对n型MoS2单层的载流子迁移率起主要作用。由于我们的计算结果完全是通过第一原理计算得到的,没有采取任何经验参数以及半经验模型,因此,我们的发现为实验上通过应变来调控室温下n型MoS2单层的载流子迁移率提供了可靠而详细的信息。其次,基于第一性原理计算和对Boltzmann输运方程进行迭代求解,我们研究了室温下受电子-声子散射主导的MoS2单层的空穴迁移率。我们计算得到室温下的空穴迁移率为26.0cm2V-1s-1,与实验值40.0cm2V-1s-1非常接近。相比之下,早期基于形变势模型的一些理论工作得到的空穴迁移率200.5cm2V-1s-1与实验值相差甚远。经过分析,我们发现与导带电子不同,纵声学支声子对应的谷间电子-声子散射对p型MoS2单层的空穴输运影响很大,而形变势模型并没有考虑谷间散射,导致其无法对MoS2单层的空穴迁移率进行准确的定量分析。最后,我们利用对Boltzmann输运方程迭代求解以及Ziman电阻率公式计算了大褶皱铅烯的本征电阻率随温度的变化。发现当温度高于德拜温度时,利用迭代方法以及双-近似下的Ziman电阻率公式时,电阻率与温度呈线性关系;而利用非双-近似下的Ziman电阻率公式计算时,电阻率与温度并不是线性关系。经过进一步地分析发现,由于声子的Fermi smearing效应,利用非双-近似下的Ziman电阻率公式计算时需要较大的费米壳层。在该费米壳层中存在电子态密度的Van Hove奇点,并由此引入了一些新的散射机制,从而导致Ziman方法并不能准确地描述高温时大褶皱铅烯的本征电阻率。
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