二维材料电、热输运性质中电声子相互作用的第一性原理计算研究

来源 :华东师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:linda456
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近年来,二维材料由于卓越的电学、光学、热学等性能,被广泛应用于电子器件、新能源、环境保护、生物医疗等多个重要领域。为此,从理论上了解它们独特性质背后的物理规律对材料的理解、性能的改进都起着举足轻重的作用。本论文主要基于密度泛函理论并结合玻尔兹曼输运方程,采用了超越了形变势模型的最大化局域瓦尼尔函数插值的方法,对二维材料的电声子相互作用以及电、热输运性质进行第一性原理计算研究。通过计算和分析,我们尝试探索其内在的物理规律,为二维功能材料的实验设计和性能改善提供理论指导。第一部分的工作主要关注于二维材料的电输运性质。首先研究了不同石墨炔的电子迁移率。由于石墨炔具有类似石墨烯的狄拉克锥结构而表现出非常优异的电子输运性质。根据预测发现,在中低载流子浓度下其室温电子迁移率超过了103cm2/V·s,而且由炔键限制的电子群速度,以及由E2g声子模式限制的电子弛豫时间是影响不同狄拉克材料电子迁移率大小的重要原因。接下来,进一步考察了二维极性半导体Ⅲ-Ⅵ族化合物In X(X=S、Se、Te)的Fr(?)hlich相互作用及本征载流子迁移率。通过计算表明,In Te可能是一种潜在的高迁移率电子材料,并揭示了具有单谷散射的弱极性二维材料倾向于具有更高的迁移率的物理规律。我们的研究成果为寻找高迁移率二维半导体材料提供了思路。第二部分的工作则是在三声子散射的基础之上研究电声子相互作用对二维材料热输运性质的影响。首先以单层MoS2和Pt SSe为例,研究了掺杂二维半导体材料的晶格热导率。研究表明,电声相互作用对于重掺杂体系的晶格热导率有非常显著的影响。掺杂载流子浓度越高,晶格热导率越低,并通过拟合发现晶格热导率表现出偏离-1的温度依赖关系,这对二维重掺杂材料热输运性质的准确预测和实验上晶格热导率的解释等方面具有启发意义。接下来,在考虑电声散射对声子寿命影响的基础之上,继续研究了对单层InSe声子频率的重整化。研究表明,当空穴掺杂浓度为-0.01 e/u.c.(~7.1×10 12cm-2)时,声子软化效应使单层InSe的晶格热导率降低了27%,进一步考虑电声散射对声子寿命的限制后降幅共为32%。而且,随着空穴掺杂浓度的提高,软化效应对晶格热导率的抑制作用愈加显著,其结果为降低二维材料晶格热导率提供了新视角。
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