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新型二维材料黑磷的成功制备极大地激发了人们对它的研究兴趣,除了与石墨烯,过渡金属硫化物同样具有较高的表面积-体积比之外,黑磷还具有其他优异的性质,例如可观的直接带隙,高的空穴迁移率,高的开关比以及独特的各向异性。这些特点使黑磷成为二维材料领域的研究焦点,甚至有人预测黑磷可能会像石墨烯一样,替代硅成为新一代的半导体材料。本文采用了基于密度泛函理论的VASP(ViennaAb-initio Simulation Package)软件包,对二维材料黑磷的结构及相关性质进行了计算和分析。由于黑磷材料在气体吸附方面表现出不稳定的物理吸附特性,我们选取的主要方法是对单层黑磷进行掺杂和缺陷构建,从而提高黑磷表面的活性,加强黑磷对一氧化碳气体(CO)的吸附程度,最终提高传感的灵敏度。论文主要研究了金属原子掺杂黑磷的电子性质和金属原子掺杂对CO气体吸附的影响。具体的研究内容包括以下几个部分:(1)对Co-BP-CO和BP-CO的电子性质进行了研究分析,通过黑磷表面钴原子(Co)掺杂的改性,发现Co-BP在吸附CO分子后能带结构从直接带隙转变为间接带隙,杂质Co原子和CO分子的轨道耦合也证实了杂质Co原子对CO吸附的促进作用。相比BP-CO结构,Co-BP-CO结构的结合能更大,稳定性更高,而且根据Bader电荷分析,CO气体向Co掺杂黑磷体系转移的电荷数量远远大于纯净黑磷,证明了 Co掺杂提高了黑磷对CO气体的灵敏度和选择性。(2)Co掺杂证明了金属原子在黑磷表面改性方面有很强的积极作用。计算金属掺杂黑磷结构后,我们发现碱金属掺杂会改变黑磷的光学性质,加强电子结构的可调性;贵金属Pd,Pt掺杂黑磷会产生很强的SMSI效应,有助于提高该材料的催化性能;铁磁性金属掺杂黑磷都表现出较强的结合能,而且Fe和Ni杂质还会使黑磷具有磁性;Pb掺杂黑磷表现出很强的金属性质,可以通过外界电场来调节材料的电学特性。在CO吸附方面,Li-BP-CO和Al-BP-CO的能带结构从间接带隙变为直接带隙,而Pd-BP-CO、Pt-BP-CO、Ni-BP-CO和Al-BP-CO则表现出较强的稳定性,Au、Pt、Ni和Al掺杂结构与CO之间存在大量的转移电荷,证明了金属杂质提高了黑磷对CO气体的吸附和探测能力。(3)考虑到实际制备黑磷的过程中会产生缺陷,因此根据不同缺陷位置的排列组合,我们建立了不重复的6种双空位缺陷结构D1-2、D1-3、D1-4、D1-5、D1-6和D1-8。计算发现双空位缺陷黑磷的形成能都小于单空位缺陷,说明双空位缺陷结构更加稳定。缺陷点位置的变化导致P-P成键发生改变,间接影响了黑磷的物理性质和电学性质。结果表明当第一个P原子被移除后,第二个P原子更加容易脱离黑磷。另外,基于缺陷结构的分析,我们提高Co原子在黑磷中的掺杂比例,并得到了最稳定的Co掺杂双空位缺陷黑磷结构,结论证明了增加Co掺杂原子可以大大提高CO的吸附程度,并且能带间隙会随着CO分子吸附数量增加而迅速减小,形成从半导体性质向金属性质过渡的趋势。