【摘 要】
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GeSe作为一种IV-VI族半导体,具有优良的光电性质。二维GeSe具有直接带隙,带隙值在1.0-1.2e V范围内,与Si的带隙接近,因此单层GeSe可以用于光电领域。单层GeSe具有非常强的可见光吸收性,目前只研究了层数变化和应变对GeSe光电性能的影响,但缺陷、掺杂、掺杂缺陷共存、掺杂与应变共存等对GeSe光电性能的调控研究还较少。本文应用Materials Studio软件构造GeSe体材
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GeSe作为一种IV-VI族半导体,具有优良的光电性质。二维GeSe具有直接带隙,带隙值在1.0-1.2e V范围内,与Si的带隙接近,因此单层GeSe可以用于光电领域。单层GeSe具有非常强的可见光吸收性,目前只研究了层数变化和应变对GeSe光电性能的影响,但缺陷、掺杂、掺杂缺陷共存、掺杂与应变共存等对GeSe光电性能的调控研究还较少。本文应用Materials Studio软件构造GeSe体材料单个晶胞立体结构、二维单层平面结构。应用基于密度泛函理论的第一性原理方法的CASTEP模块研究GeSe光电性能及其调控机理。构造吸附、掺杂或掺杂与吸附共存的GeSe二维平面结构模型,研究掺杂、吸附对GeSe单层的带隙、光电性能的调控行为及调控机理。首先探究了Al,O,B吸附对二维GeSe材料光电性质的影响。计算结果表明采用GGA(PW91形式下)交换关联泛函能够更好的描述GeSe单层的电子性质。吸附能计算结果表明O,Al,B原子都可以稳定的吸附在GeSe单层上,对比三者吸附能结果可见吸附最稳定的是O原子。根据电子结构计算可知本征GeSe为p型直接带隙半导体。吸附B,Al原子在带隙中产生的杂质能带使GeSe单层导电类型发生了改变(由P型导电变为n型导电)。吸附原子调制了GeSe单层的带隙的宽度和光吸收的吸收边。光学性质计算结果表明吸附原子影响了GeSe单层的折射率、消光性质,同时调控了光吸收和反射性质。Al吸附增强了从红外到可见光再到紫外光区整个光谱区的吸收;B吸附增强了从可见光到紫外光区的光吸收。同时B,Al吸附也会增强光的反射,尤其是紫外光区的反射。其次探究了H2,O2或OH吸附对二维GeSe材料光电性质的影响。H2,O2或OH都能在GeSe单层形成稳定的吸附,其中O2或OH形成的吸附最稳定。原子掺杂以及吸附,分子的吸附调节了带隙,影响了GeSe单层光吸收的吸收边。能带结构及态密度分析表明O2、OH的吸附、P的掺杂能隙中央引入了未占据的杂质态,使GeSe单层半导体的导电性有所增强。Al的掺杂引入的杂质态接近导带底,说明是n型导电。H2吸附GeSe单层、H或OH吸附的Al掺杂GeSe单层,以及H或OH吸附的P掺杂GeSe单层,吸附和掺杂未在带隙引入的杂质带,因此导电性质与纯净的GeSe单层一样是p型半导体。光学性质的计算结果表明,吸附O2、掺杂P的GeSe单层在吸收边附近吸收系数大于未掺杂GeSe单层,说明通过吸附O2或者掺杂P能够有效提高GeSe单层在红外光区光的吸收能力。反射率结果表明O2或H2吸附使GeSe单层在紫外区的反射增强,可应用于紫外光的探测和防护。此外,吸附H2、吸附OH、Al掺杂、P掺杂都增强了GeSe单层可见光和紫外光区的吸收。总之,本文的研究对GeSe二维材料在光电领域的应用提供了可靠的理论依据。
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