【摘 要】
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由于世界对能源的大量需求,开发新型半导体材料,用于为工业和家庭使用产生能量至关重要。其中二维材料因其具备独特且优越的物理化学性质,引起了人们的广泛探索。然而,通过实验筛选高质量的二维材料通常是非常困难和昂贵的。因此在实验研究之前利用第一性原理从理论上计算筛选调控具有优异电子性质的二维材料具有重要意义。本文基于密度泛函理论的第一性原理计算,对三种不同排列方式α（Ⅳ-Ⅴ-Ⅴ-Ⅳ）、β（Ⅴ-Ⅳ-Ⅳ-Ⅴ）
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由于世界对能源的大量需求,开发新型半导体材料,用于为工业和家庭使用产生能量至关重要。其中二维材料因其具备独特且优越的物理化学性质,引起了人们的广泛探索。然而,通过实验筛选高质量的二维材料通常是非常困难和昂贵的。因此在实验研究之前利用第一性原理从理论上计算筛选调控具有优异电子性质的二维材料具有重要意义。本文基于密度泛函理论的第一性原理计算,对三种不同排列方式α（Ⅳ-Ⅴ-Ⅴ-Ⅳ）、β（Ⅴ-Ⅳ-Ⅳ-Ⅴ）、γ（Ⅳ-Ⅴ-Ⅳ-Ⅴ）/（Ⅴ-Ⅳ-Ⅴ-Ⅳ）的 Ⅳ-Ⅴ 族单分子层（Ⅳ-Ⅴ,Ⅳ=C,Si,Ge,Sn,Pb;V=N,P,As,Sb,Bi）进行能量筛选,对于能量最有利相的几何结构,电子性质,光学性质,光催化性质进行了系统研究。具体研究结果如下:首先基于第一性原理筛选出每个组合中能量上最有利的结构。对其几何结构进行分析,通过声子谱计算判断25个结构动力学稳定。计算能带分析其电子性质,我们的结果指出25种最稳定相结构绝大多数为间接带隙半导体,并总结了它们的电子结构规律。为了评估Ⅳ-Ⅴ族单分子层作为可见光下分解水的光催化剂的适用性,计算了Ⅳ-Ⅴ族单分子层的带边位置与氧化还原电位之间的关系以及对于光吸收的能力,发现 β-CP,β-SiN,β-SiP,β-GeP,β-CAs,β-SiAs,β-SiSb,β-SnSb,γ-GeN单分子层在适当的pH环境下都满足作为催化剂的条件,为后续深入研究奠定了良好的基础。后续我们对于γ-GeN和α-SnP两种单分子层进行深入理论研究。通过PDOS图分析γ-GeN和α-SnP单分子层不同轨道对这两种单分子层的电子态和成键特性的贡献,计算差分电荷密度图分析其电子转移情况。发现施加双轴应变和单轴应变可以有效调节γ-GeN和α-SnP单分子层的带边位置和带隙大小。分析在不同pH和不同应变下满足作为光催化分解水催化剂的条件。注意到无论施加单轴应变还是双轴应变,α-SnP单分子层都会实现间接带隙到直接带隙的转换。该研究有助于Ⅳ-Ⅴ族单分子层在光催化剂、纳米电子学和光电子领域的应用。
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