掺杂单层磷烯的电子结构及输运特性研究

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现代微电子技术的飞速发展,对半导体材料的电子性质提出了更高的要求。半导体材料的带隙宽度、带隙类型以及载流子有效质量等性质将直接影响其在电子器件和光电子器件等领域的应用价值。以磷烯为代表的二维材料因其适合带隙和超高速的迁移率在新型电子器件的制备上展示出极高的应用前景。然而,目前针对磷烯材料的能带改性大多集中于传统的P型或N型掺杂,具备本征性质的等电子掺杂少见报道。基于此,本文利用第一性原理软件计算了磷烯的等电子掺杂体系的电子特性和以载流子有效质量为代表的输运特性。从理论上对体系的电子性质进行了研究和讨论,磷烯材料在微电子领域的应用提供理论依据。首先,本文针对α-P磷烯(单层黑磷)进行了不同浓度的掺杂研究。对掺杂体系P1-xXx(X=N、As、Sb、Bi)的能带结构、带隙特征、态密度以及布居数等性质进行了研究和讨论。在较高的掺杂浓度下(x=1/4),掺杂原子与磷原子之间的电负性差异,会使能带发生分裂,造成带隙的变化。采用不同的掺杂原子,可以在0.38eV1.05eV的范围内实现对材料带隙的调控,有利于材料在不同半导体器件中的应用。其次,本文研究了α-P磷烯和β-P磷烯在1:1掺杂模式下电子性质特性。对于Mixed体系,材料都呈半导体性质,在BAC效应和本征P原子3p轨道的作用下,材料的带隙发生了变化,并伴随有直接-间接带隙的转变。对于Zigzag和Armchair模式的1:1掺杂体系的电子特性。由于掺杂原子之间的成键和结构造成的电子得失量的差异,部分材料呈现出了金属性质,这类材料在非金属电极领域具有十分重要的应用价值。最后,本文结合材料的载流子有效质量,讨论了其输运性质的特点,并指出了等电子掺杂对材料输运性质提升的作用。本文在理论上分析讨论了磷烯的等电子掺杂的电子性质,较为准确的预测了材料的电子性质,在较大的范围内实现了对材料带隙的调控。为磷烯材料在微电子器件领域的应用提供了参考价值。
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