二维第Ⅴ主族三卤化物的电子结构及输运性质的第一性原理研究

作     者：米久龙 

作者单位：河北大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王瑞宁

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：二维纳米结构 输运性质 非平衡格林函数方法 半经典玻尔兹曼输运理论 

摘      要：自从2004年石墨烯被发现以来,二维纳米材料由于其稳定的几何结构、优异的电子性质越来越引起凝聚态物理、材料学等领域科研人员的关注。 本论文基于第一性原理的方法来探讨了二维纳米材料（MX3）-第五主族（M=N,P,As,Sb,Bi）三卤（X=F,Al,Br,I）化物合-的几何结构、电子结构及（弹道/散射）输运性质。首先,我们从声子谱的角度来探讨了它们的动力学稳定性,发现Bi I3和Sb I3两种化合物是动力学稳定的而Bi Br3、Bi Cl3及Sb Br3仅在M点有微小的虚频,Bi Br3、Bi Cl3和As I3可能具有动力学稳定性。接着,我们利用第一性原理的分子动力学研究Bi I3和Sb I3在1000K下的热力学稳定性,发现它们是热力学稳定的。 接下来,我们从两个角度来探讨其电子输运特性。一是利用密度泛函理论结合非平衡格林函数的第一性原理方法来研究弹道输运性质并给出二维纳米材料的电压-电流曲线进而得到了其用作场效应管模型器件的开关比、亚阈值斜率等。发现了二维Bi I3搭建的场效应管的短沟道效应可以通过双栅极结构有效得到抑制,并且亚阈值摆幅值随着栅极长度增加会被降低;源漏两电极掺杂金原子的二维Bi I3搭建的场效应管能达到相比其它其它掺杂原子最低的亚阈值摆幅262.3,掺杂银原子能达到相比最高的开关比1.363×10～5。 另一方面利用密度泛函理论结合半经典玻尔兹曼输运理论的方法来研究其散射输运性质并计算了二维纳米材料的电导率、塞贝克系数及电子热导率进而得到电子热功率因子及电子所贡献的热电优值等。研究了Bi I3、Bi Br3、Bi Cl3、Sb I3和As I3的热电输运性质。最后,我们通过考虑三阶力常数来计算了二维纳米材料的声子热导率,它的声子热导率低至22.64 m Wm-1K-1。Bi I3有较好的热电优值,在最佳电子掺杂浓度1.3×1019cm-3时室温下能达到1.44,而空穴下则为3.06。发现它们具有极低的声子热导率并可以作为良好的热电器件。