氮化铝与石墨烯表界面性质的第一性原理分析

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氮化铝(AlN)是第三代半导体材料的发展热点,其在光电器件(特别是深紫外发光和深紫外探测器)方面有着重要的应用。但是,也正因为氮化铝晶体的宽带隙,使得其在常温下的载流子浓度和迁移率偏低,从而影响了氮化铝基电子器件的电学性能。近年来,二维材料由于自身的优异性质得到快速发展,这些新材料为氮化铝基器件性能的改善提供了新的思路。石墨烯在常温下具有高迁移率,如果将氮化铝产生的载流子导入石墨烯中进行传输,就能够有效解决氮化铝基器件中载流子迁移率低的问题。由于二维石墨烯材料表面缺少悬挂键,氮化铝与石墨烯之间通过弱的范德华力接触,可以克服两者晶格失配的影响,二者的结合有望提升器件的整体性能。此外,石墨烯在柔性设备应用中也具有巨大的潜能,因此氮化铝与石墨烯的结合还可以实现柔性器件的制作。而两种物质的表界面是决定器件微观特征和宏观性质的关键因素,因此了解氮化铝和石墨烯间的相互作用机理,并对两者表界面深入研究是十分必要的。本文主要采用第一性原理计算的方法来探究氮化铝常见表面吸附单层石墨烯后的界面结构与性质。首先研究了纤锌矿构Al N三个低指数面的电子性质,包括两个极性面(0001)和(000(?))以及非极性面(10(?)0)。通过对表面进行结构弛豫与电子性质计算,来对三个表面的弛豫特性及不同的电子结构进行比较。计算得到的氮化铝(0001),(000(?))和(10(?)0)表面的表面能分别是7.85 J/m2,8.24 J/m2和8.15 J/m2,(0001)面的表面能最小。局域电子密度表明三个表面的表面态都只存在于表面的几个原子层处,越远离表面,氮化铝原子层受到表面态的影响越小。接下来研究了AlN(0001)面/石墨烯,AlN(000(?))面/石墨烯和AlN(10(?)0)面/石墨烯三种界面的界面结构和电子性质。AlN(0001)面/石墨烯界面具有最大的结合能和最小的界面距离。通过差分电荷密度进一步分析发现三种界面结构都在界面处发生了电荷重排。通过局域电子密度分析可知,石墨烯与氮化铝(10(?)0)表面作用最为明显,氮化铝的总态密度中出现了许多新的能量的峰,这些峰的形状与石墨烯是相似的。
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