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随着二维材料的诸多优越性被逐渐应用到新一代电子器件中，未来关于二维材料的理论和实验研究将会掀起更进一步的热潮。传统的Ⅲ-V族氮系(Ⅲ-N)体材料在光电、功率电子领域的成功应用充分证实了Ⅲ-N体材料广阔的应用前景，因此，探索Ⅲ-N体材料家族在二维相下各种潜在物理化学性质近年来已成为研究热点，越来越引起国内外研究小组关注。然而，目前关于Ⅲ-V族二维材料系统的研究较少，因此对Ⅲ-V族25种二维结构各种物理性质进行理论计算，并将相应规律进行总结具有理论意义。初步研究发现，BN，AlN，GaN具有理想平坦类石墨烯结构，在实验上已经被成功制备，因此本论文在总结Ⅲ-V族各二维材料相关物理规律基础上，重点围绕以上三种二维Ⅲ-N材料进行深入研究。论文内容主要涉及构建二维异质结，引入应变以及引入各种点缺陷等常见调控手段对物理性质变化规律进行探索，具体研究工作包括以下四个方面：
1.为探索Ⅲ-V族二维材料一些基本物理性质的内在规律，摸索Ⅲ-N二维材料在整个Ⅲ-V族材料中的独特性，本论文首先对Ⅲ-V族25种二元单层材料进行系统计算，主要包括对结构性质、力学性质和电学性质的深入研究。结果表明，在25种结构中，BN， AlN，GaN，InN，TlN，BP，BAs，BSb和AlP是平坦或非常接近平坦的二维结构，而其它结构都有不同程度的褶皱。其次，本论文总结出25种Ⅲ-V二维化合物带边电子、空穴有效质量、带隙等电学量，以及杨氏模量、泊松比等力学量。另外，基于原子序数，本论文定义一个相对半径，并将25种化合物按照相对半径进行分组，发现一些力学性质和电学性质与相对半径有很强的物理规律。最后，本论文系统地研究能带随单轴应变、双轴应变以及剪切应变的变化规律。
2.关于类石墨烯AlN(graphene-like AlN，g-AlN)二维材料，本论文基于graphene/g-AlN(Gr/g-AlN)异质结体系，主要集中研究Al空位、N空位缺陷，以及双轴应变如何对体系物理化学性质进行调控。结果显示，Gr/g-AlN引入N空位(nitrogen vacancy，Gr/g-AlN-VN)后相比引入Al空位(aluminum vacancy，Gr/g-AlN-VAl)更加稳定，且Gr/g-AlN-VN不显磁性，而纯g-AlN引入N空位后总磁矩为1μB；这意味着石墨烯与g-AlN接触后，对其磁性具有调节作用。另外，研究发现，石墨烯在Gr/g-AlN-VN异质结体系中扮演电子受主，在Gr/g-AlN和Gr/g-AlN-VAl体系中表现为电子施主。传统泛函(杂化泛函)计算出Gr/g-AlN，Gr/g-AlN-VAl与Gr/g-AlN-VN异质体系的n-type肖特基势垒高度ΦB,n分别为2.35(3.69)，2.77(3.23)，和1.10(0.98) eV，表明空位缺陷能有效地调节ΦB,n。Gr/g-AlN的p-type肖特基接触类型在施加10%双轴压缩应变后会转变为n-type，而在较大张应变条件下会变为欧姆接触。类似地，Gr/g-AlN-VN在施加7.5%张应变时，接触类型将会从n-type向p-type转变。
3.对于六方氮化硼(hexagonal BN，h-BN)体系，本论文主要对四种本征缺陷：N空位(VN)， B空位(VB)，N反位(NB)，B反位(BN)的结构性质、磁学性质、电子结构以及缺陷性质进行系统研究。在研究过程中，本论文提出一个简单方法将传统泛函(Perdew John P., Burke Kieron，Ernzerhof Generalized gradient approximation，GGA-PBE)电荷转移能级(Charge transition level，CTL)修正到杂化泛函(Heyd-Scuseria-Ernzerhof，HSE06)精度，为缺陷计算节约大量时间。基于该方法，本论文系统研究h-BN中四种本征缺陷形成能，并发现一种快速得到特殊真空层尺寸(Special Vacuum Size, SVS)的方法，并以N空位作为例子借用杂化泛函验证本方法的可靠性。基于电荷转移能级的结果，本论文发现所有的本征缺陷扮演着空穴或电子捕获中心，因此会抑制基于h-BN电学器件的n-type或p-type载流子迁移率。
4.对于六方氮化镓(hexagonal GaN，h-GaN)体系，基于第一性原理方法，结合二维带电缺陷校正理论，将半局域泛函电荷转移能级有效转换到杂化泛函精度，本论文对h-GaN12种 n-type和 p-type带电掺杂体系结构性质、磁学性质及缺陷性质进行系统研究。其中n-type体系包括CGa，SiGa，GeGa，ON，SN，SeN，p-type体系包括BeGa，MgGa，CaGa， CN，SiN， GeN。结果表明，GeGa和BeGa分别是n-type和p-type中最稳定缺陷。另外，n-type体系最稳定价态为0和1+价，表现为浅施主能级特性，同时会捕获p-type h-GaN中空穴，影响空穴导电率。p-type体系最稳定价态为1?，0(GeN除外)和1+价，受主离子化能分布在高于价带顶~1.25到2.85 eV能量区间，表现为深受主能级特性，会捕获n(p)型h-GaN中电子(空穴)，影响n(p)载流子导电率。因此，二维h-GaN体系很难通过单缺陷实现p-type掺杂，实验上需要考虑复合缺陷实现双极型掺杂。
综上，本论文总结出25种Ⅲ-V二维结构丰富的物理性质及规律，并深入研究Ⅲ-N家族在异质结中、施加应变以及引入缺陷以后的各种物理化学性质，同时提出两条相对高效地计算二维带电缺陷的解决办法，一方面，研究结果对深刻理解Ⅲ-N二维体系的物理性质，对更加明确Ⅲ-N体系的潜在应用具有重要意义，同时也为实验研究提供必要的理论指导依据；另一方面，为后续更加深入系统地展开Ⅲ-N二维体系理论研究打下数据基础。
1.为探索Ⅲ-V族二维材料一些基本物理性质的内在规律，摸索Ⅲ-N二维材料在整个Ⅲ-V族材料中的独特性，本论文首先对Ⅲ-V族25种二元单层材料进行系统计算，主要包括对结构性质、力学性质和电学性质的深入研究。结果表明，在25种结构中，BN， AlN，GaN，InN，TlN，BP，BAs，BSb和AlP是平坦或非常接近平坦的二维结构，而其它结构都有不同程度的褶皱。其次，本论文总结出25种Ⅲ-V二维化合物带边电子、空穴有效质量、带隙等电学量，以及杨氏模量、泊松比等力学量。另外，基于原子序数，本论文定义一个相对半径，并将25种化合物按照相对半径进行分组，发现一些力学性质和电学性质与相对半径有很强的物理规律。最后，本论文系统地研究能带随单轴应变、双轴应变以及剪切应变的变化规律。
2.关于类石墨烯AlN(graphene-like AlN，g-AlN)二维材料，本论文基于graphene/g-AlN(Gr/g-AlN)异质结体系，主要集中研究Al空位、N空位缺陷，以及双轴应变如何对体系物理化学性质进行调控。结果显示，Gr/g-AlN引入N空位(nitrogen vacancy，Gr/g-AlN-VN)后相比引入Al空位(aluminum vacancy，Gr/g-AlN-VAl)更加稳定，且Gr/g-AlN-VN不显磁性，而纯g-AlN引入N空位后总磁矩为1μB；这意味着石墨烯与g-AlN接触后，对其磁性具有调节作用。另外，研究发现，石墨烯在Gr/g-AlN-VN异质结体系中扮演电子受主，在Gr/g-AlN和Gr/g-AlN-VAl体系中表现为电子施主。传统泛函(杂化泛函)计算出Gr/g-AlN，Gr/g-AlN-VAl与Gr/g-AlN-VN异质体系的n-type肖特基势垒高度ΦB,n分别为2.35(3.69)，2.77(3.23)，和1.10(0.98) eV，表明空位缺陷能有效地调节ΦB,n。Gr/g-AlN的p-type肖特基接触类型在施加10%双轴压缩应变后会转变为n-type，而在较大张应变条件下会变为欧姆接触。类似地，Gr/g-AlN-VN在施加7.5%张应变时，接触类型将会从n-type向p-type转变。
3.对于六方氮化硼(hexagonal BN，h-BN)体系，本论文主要对四种本征缺陷：N空位(VN)， B空位(VB)，N反位(NB)，B反位(BN)的结构性质、磁学性质、电子结构以及缺陷性质进行系统研究。在研究过程中，本论文提出一个简单方法将传统泛函(Perdew John P., Burke Kieron，Ernzerhof Generalized gradient approximation，GGA-PBE)电荷转移能级(Charge transition level，CTL)修正到杂化泛函(Heyd-Scuseria-Ernzerhof，HSE06)精度，为缺陷计算节约大量时间。基于该方法，本论文系统研究h-BN中四种本征缺陷形成能，并发现一种快速得到特殊真空层尺寸(Special Vacuum Size, SVS)的方法，并以N空位作为例子借用杂化泛函验证本方法的可靠性。基于电荷转移能级的结果，本论文发现所有的本征缺陷扮演着空穴或电子捕获中心，因此会抑制基于h-BN电学器件的n-type或p-type载流子迁移率。
4.对于六方氮化镓(hexagonal GaN，h-GaN)体系，基于第一性原理方法，结合二维带电缺陷校正理论，将半局域泛函电荷转移能级有效转换到杂化泛函精度，本论文对h-GaN12种 n-type和 p-type带电掺杂体系结构性质、磁学性质及缺陷性质进行系统研究。其中n-type体系包括CGa，SiGa，GeGa，ON，SN，SeN，p-type体系包括BeGa，MgGa，CaGa， CN，SiN， GeN。结果表明，GeGa和BeGa分别是n-type和p-type中最稳定缺陷。另外，n-type体系最稳定价态为0和1+价，表现为浅施主能级特性，同时会捕获p-type h-GaN中空穴，影响空穴导电率。p-type体系最稳定价态为1?，0(GeN除外)和1+价，受主离子化能分布在高于价带顶~1.25到2.85 eV能量区间，表现为深受主能级特性，会捕获n(p)型h-GaN中电子(空穴)，影响n(p)载流子导电率。因此，二维h-GaN体系很难通过单缺陷实现p-type掺杂，实验上需要考虑复合缺陷实现双极型掺杂。
综上，本论文总结出25种Ⅲ-V二维结构丰富的物理性质及规律，并深入研究Ⅲ-N家族在异质结中、施加应变以及引入缺陷以后的各种物理化学性质，同时提出两条相对高效地计算二维带电缺陷的解决办法，一方面，研究结果对深刻理解Ⅲ-N二维体系的物理性质，对更加明确Ⅲ-N体系的潜在应用具有重要意义，同时也为实验研究提供必要的理论指导依据；另一方面，为后续更加深入系统地展开Ⅲ-N二维体系理论研究打下数据基础。