第一性原理研究硅烯和锗烯的电输运性质

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本论文研究的主要内容是我们借助于密度泛函理论,玻尔兹曼输运方程,形变势理论,在第一性原理层次上,计算了硅烯,锗烯的本征载流子迁移率以及纳米孔洞对硅烯的影响。首先在前言中我们对石墨烯,硅烯和锗烯的研究现状和意义进行简要介绍;然后在第一章介绍第一性原理计算的理论基础。第二章介绍计算载流子输运性质的原理;第三章到第五章介绍作者在攻读硕士期间的主要研究工作以及取得的成果。主要的成果如下:  第三章我们借助于密度泛函理论,玻尔兹曼输运方程,形变势理论,在第一性原理层次上,计算了硅烯的本征载流子迁移率。计算结果显示,室温下,硅烯电子的本征载流子迁移率可以达到μ≈2.57×105cm2V-1s-1,空穴的迁移率可以达到μ≈2.22×105cm2V-1s-1。虽然硅烯的本征载流子迁移率小于石墨烯,但相比传统材料依然高出两个数量级。由于具有较高的载流子迁移率而且现在又处于硅基电子技术的时代,硅烯将成为具有很大发展前途的电子材料。  第四章我们预测了锗烯中本征载流子的迁移率。室温下,锗烯中电子和空穴的载流子迁移率分别可以达到μ≈6.24×105cm2V-1s-1,μ≈6.54×105cm2V-1s-1。我们的计算结果显示锗烯的载流子迁移率与石墨烯和硅烯的在同一个数量级甚至比他们的都大,经过理论分析这是源于锗烯二维平面褶皱幅度大和载流子的有效质量小的缘故。由于我们是在形变势理论的框架下计算载流子迁移率所以只考虑了热激发电荷与声学波声子之间散射,这里存在较大的近似,所以我们的计算结果只关心数量级。不管怎样锗烯的载流子迁移率的数量级达到了105cm2V-1s-1。而且最近有些研究小组通过第一性原理计算发现锗烯在以石墨烯和六角形BN为基底能够稳定存,而且能打开锗烯的带隙。这非常适合半导体工业对锗烯来说意义重大,然而想要把锗烯应用到生活中还需要深入探索。不管怎样锗烯具有很高的载流子迁移率,并且和硅有很好的相容性,在纳米电子科技方面应该有很好的应用。  第五章我们研究了周期规则纳米孔洞的硅烯(SNMs)的电学和光学性质。我们的结果显示SNMs的电学和光学性质对相连孔洞硅链宽度的变化非常敏感。奇数W值的SNMs的能带保持了线性色散的0带隙。相反偶数W值的SNMs在费米能级附近打开了带隙,可以被开发利用为远红外探测设备因为他从0 eV开始就有光谱响应。而且我们的结果显示SNMs的光学性质在E∥和E⊥极化条件下具有各向异性。更重要的是光学性质可以通过W值的变化控制。SNMS拥有从0 eV到紫外10 eV的宽频响应,可以充分利用太阳能。由于光伏产业可以解决现在面临的能源危机,SNMs为太阳能材料指明了方向。因此SNMs在电子工业有很大的潜在应用。
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