几种二维材料电子性质的调控及光学性质的研究

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自石墨烯问世以来,二维材料的各种研究如雨后春笋,成为科学研究领域的热点之一,实验上制备出了各种性能优异的硫族化合物,受到实验研究的启发,为了挖掘硫族化合物的优异性质,我们利用第一性原理计算,对二维硫族二元化合物ReX2、ReSX(X=S,Se,Te)和二维硫族三元化合物X3C6S6(X=Zn,Cd,Sb,Bi)进行了研究。首先,我们研究了二维ReS2单层和双层的结构、电子性质和光学性质,结果表明ReS2是一种直接带隙半导体。相对间接带隙半导体而言,直接带隙半导体的电子更容易跃迁,具有更高的载流子迁移率。首先我们计算了材料的能带结构,结果表明ReS2单层的带隙为1.43 eV,双层的带隙为1.38 eV,这表明带隙会随着层数的增加而减小。随后我们对材料施加应力,通过应力调控后我们发现,当压缩应力达到10%,ReS2由半导体材料变为金属材料。并且施加应力后,带隙在发生变化的同时,直接带隙和间接带隙也发生了相互转换。接下来,通过电场调控我们发现ReS2双层比单层对电场调控的敏感度更强。最后,我们还对其光学性质进行了研究,结果表明ReS2单层和双层均在紫外波段有较强的吸收,而在红外波段没有吸收。因此,光学性质的研究在短波长发光二极管的应用中很有意义。以上所有结果都表明ReS2在今后的研究和应用中都具有很大前景。其次,我们还构建了含过渡金属Re的三种结构:ReS2、Janus-ReSSe、ReSe2,分别研究了其结构和电子性质,并研究了双轴应力对三种结构产生的影响。通过计算我们发现,二维ReS2、Janus-ReSSe和ReSe2薄膜在双轴应力的调控下的结构依然很稳定。值得注意的是,当应力发生变化时,不仅带隙发生变化,而且带隙种类(直接和间接)也发生了相互转化。键角和键长也会随着应力的改变而变化。这些发现将为今后的研究和实验提供理论依据。接下来,我们构建了ReX2和ReXS(X=S,Se,Te)单层的结构,研究了应力调控下电致发光材料的电子性质和光学性能。双轴应力能有效地调节单层ReSSe的带隙,带隙在直接带隙和间接带隙之间相互转化。值得注意的是,ReSSe和ReSe2不仅保留了直接带隙的特性,而且对比于ReS2而言具有更大的带隙,具有更优异的光学特性,ReSe2和ReSSe在紫外波段具有较强的吸收,在红外波段为零吸收。因此,带隙的可调性,优异的光学性能使其在红外探测器和应变传感器等领域具有广阔的应用前景。最后,在二维硫族二元化合物研究的基础上,我们对二维硫族三元化合物X3C6S6(X=Zn,Cd,Sb,Bi)的半金属性质进行了研究。首先我们研究了材料的能带结构,结果表明结构的本征带隙均为直接带隙,更重要的是,在双轴应力调控下,我们发现二维Zn3C6S6和Cd3C6S6薄膜在一定应力条件下会变为Nodal-Line半金属,并且随着压缩应力的增加,节点环不会消失。我们还在三维能带中采取若干取点作图法和部分电荷密度图证明了节点环的存在。接下来,我们研究了自旋轨道耦合效应对能带结构的影响,发现节点环在自旋轨道耦合下也是稳定存在的,说明结构对自旋轨道耦合效应具有较强的鲁棒性。对于Sb3C6S6和Bi3C6S6,能带结构则在费米能级附近形成了狄拉克锥,我们还计算了两种结构的三维能带,进一步证明了狄拉克锥的存在。本研究为低功耗电子器件的制备提供了优异的备选材料。
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