论文部分内容阅读
二维材料石墨烯的发现打开了二维材料世界的大门。石墨烯因具有特殊的能带结构及高强度和高热导率等的特点,在制备电子器件散热器、处理器等方面具有非常大的潜力,但石墨烯零带隙的结构特点限制了该材料在制备光学器件领域的应用。III-V族化合物GaAs因优良的光学和电学性能被广泛研究,并应用于制备光电子和电子器件。三维GaAs与二维石墨烯相比,结构上具有相似性,并且二维条件下GaAs几何结构与光电性质研究甚少。因此,对二维GaAs在结构与性质方面进行研究具有重要意义。本文采用分子动力学与第一性原理相结合的方法,对理想情况下二维类石墨烯GaAs和存在点缺陷的二维类石墨烯GaAs电子结构、光学性质及不同压强下两种类型材料的光学性质变化进行理论模拟与计算。分子动力学采用Tersoff势函数进行计算,并采用可视化分析软件对模拟结果进行分析;第一性原理采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势量子力学程序CASTEP软件,对理想情况和存在点缺陷的二维类石墨烯GaAs的电子结构和光学性质进行了计算与分析。对理想二维类石墨烯GaAs电子结构和光学性质模拟与计算的结果分析表明:二维类石墨烯GaAs结构稳定。能带结构方面,二维GaAs不同于三维GaAs,最高的两个能带相互交叠,显示出金属性。维度的降低使得As的s态、p态电子相互作用增强,产生较多的态密度峰,且峰位向低能方向移动,较低能带主要由Ga-d态,As-s态,As-p态构成,较高能带主要由As-s态,As-p态构成。二维GaAs静态介电常数ε1（0）=5.36,对紫外光具有较强的吸收作用,在3.90?4.71 eV和5.69?6.90 eV能量范围表现出金属反射特性。对缺陷二维类石墨烯GaAs电子结构和光学性质模拟与计算的结果分析表明:存在Ga空位和As空位缺陷的二维GaAs显示出金属特性,B原子和P原子的引入使体系变为间接带隙半导体,禁带宽度分别为0.35 eV和0.68 eV。态密度计算发现体系较低能带主要由Ga的s态、p态、d态和As的s态、p态构成,较高能带主要由Ga和As的s态、p态构成。B掺杂与存在空位缺陷的二维GaAs相比,静态介电常数相对较低,变为8.42,且易于吸收紫外光,在3.90?8.63 eV能量范围具有金属反射特性,反射率达到52%。对不同压强下理想二维类石墨烯GaAs电子结构和光学性质模拟与计算的结果分析表明:在各向同性应力作用下,压缩晶格使二维GaAs较高能带向高能量方向移动,较低能带无变化,材料由导体转变为半导体,随压力增大,带隙变宽。拉伸晶格使二维GaAs较高能带向低能量方向移动,较低能带无变化,材料金属性增强。上述研究发现二维GaAs对紫外光有吸收,随压力增大,吸收峰蓝移,吸收强度增大;随张力增大吸收峰红移,吸收强度减小。应力增大了材料在特定能量范围内显示出金属反射特性的反射率。此外,压力增大了材料对光的吸收范围。对不同压强下存在点缺陷的二维类石墨烯GaAs能带结构和光学性质模拟与计算的结果分析表明:存在Ga空位和As空位缺陷的二维GaAs能带结构随各向同性应力无较大变化,继续显示出金属特性。B掺杂和P掺杂的二维GaAs的禁带宽度随压力的增大而增大,趋向于宽禁带半导体;随张力的增大,禁带宽度消失,材料由半导体转变成导体,金属性逐渐增强。B掺杂和P掺杂的二维GaAs的吸收强度随压力的增加而增大,吸收峰向高能量范围移动,发生蓝移;随张力的增加,吸收强度减小,吸收峰向低能量范围移动,发生红移。