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稀有金属 2017年第5期41卷 449-465页

作者：屠海令赵鸿滨魏峰张青竹杜军北京有色金属研究总院智能传感功能材料国家重点实验室北京100088 中国科学院微电子研究所微电子器件与集成技术重点实验室北京100029

2004年英国曼彻斯特大学Geim研究组成功剥离出石墨烯(graphene)以来,二维原子晶体(two-dimensional atomic crystals)材料获得了极大关注。二维原子晶体材料及其范德华异质结构(van der Waals heterostructures)具有电学、热学、力学、... 详细信息

2004年英国曼彻斯特大学Geim研究组成功剥离出石墨烯(graphene)以来,二维原子晶体(two-dimensional atomic crystals)材料获得了极大关注。二维原子晶体材料及其范德华异质结构(van der Waals heterostructures)具有电学、热学、力学、化学及光学等方面的众多优异特性,可广泛于电子、催化、储能、生物医学、复合材料等领域。特别是石墨烯,被认为是后摩尔时代的关键材料。二维原子晶体材料除了可制备微电子与光电子器件外,还可能应用到多种新型功能器件。综述了石墨烯(graphene)、二硫化钼(Mo S2)、磷烯(phosphorene)等二维原子晶体材料的合成生长、性能表征与器件制备,并重点讨论了二维原子晶体材料及其范德华异质结在微纳电子领域的研究进展和应用前景。

关键词：二维原子晶体范德华异质结构功能器件

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范德华异质结构中极化激元的激发与调控

范德华异质结构中极化激元的激发与调控

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作者：吕蔚天津大学

学位级别：硕士

基于扫描探针显微镜的纳米级傅里叶变换红外光谱（nano-FTIR）能够以高空间分辨率（～10 nm）识别表面物种的化学组成和结构,特别是无损且无需标记的指纹识别,这对于探索催化反应过程,细胞过程,病毒检测等至关重要。但是,由于分子与红... 详细信息

基于扫描探针显微镜的纳米级傅里叶变换红外光谱（nano-FTIR）能够以高空间分辨率（～10 nm）识别表面物种的化学组成和结构,特别是无损且无需标记的指纹识别,这对于探索催化反应过程,细胞过程,病毒检测等至关重要。但是,由于分子与红外光之间的弱耦合（大的尺寸失配）,使用nano-FTIR表征单个分子（<10nm）的指纹信息仍然具有挑战性。如何增强光与物质的相互作用,提高光场与分子间的耦合效率是实现单分子水平指纹信息探测的核心问题。因此,本文主要在极化激元与近场光学技术相结合的条件下来提高光场与分子间耦合效率方面展开研究,其主要内容如下: 1.利用模拟仿真的方法研究声学声子极化激元（APhPs）的性质。我们构筑了单层α-MoO3/Au的范德华异质结构,其中Au衬底带有0.6nm深的纳米腔。在红外光的照射下,纳米腔上方的α-MoO3产生的声子极化激元（Ph Ps）与纳米腔中的镜像电磁场相互耦合形成声学声子极化激元。声学声子极化激元具有极强的场束缚能力,可将入射光压缩1114倍,和极小的模式体积(VAPhPs～10-11V0),并且声学声子极化激元具有极慢的群速度（Vg～c/10～5）。电场能量被挤压在纳米腔中形成电场热点,可将电场能量增强10～7以上,极大的增强了光与物质的相互作用。 2.利用模拟仿真的方法研究在近场光学激发条件下,利用α-MoO3/Au范德华异质结构对单分子进行探测识别。我们将α-MoO3/Au范德华异质结构中的单层α-MoO3设计成纳米条带,可实现对声学声子极化激元的调控以及进一步增强电磁场能量至10～9,可以满足单个分子探测所需的电磁场能量增强（10～5）。在声学声子极化激元的协助下,单个分子的信号可被增强45倍。此外由于声学声子极化激元的各向异性,声学声子极化激元与面内不同偶极子取向的单分子间耦合效率不同,最大可相差20倍。因此声学声子极化激元还可以作为识别单分子面内偶极子取向的探针。此外,声学声子极化激元协助的nano-FTIR提高了针尖z方向偶极子与单分子面内方向（x-y）偶极子间偶极-偶极相互作用,提高了探测效率。

关键词：范德华异质结构各向异性声学声子极化激元单层α-MoO3 单分子探测表面增强红外光谱

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基于二维铁磁材料Fe3GeTe2范德华异质结构磁电输运性能的研究

基于二维铁磁材料Fe3GeTe2范德华异质结构磁电输运性能的研究

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作者：胡国静中国科学技术大学

学位级别：博士

随着晶体管尺寸不断缩小,摩尔定律逐渐面临失效。自旋电子器件目前已成为后摩尔时代新型器件的研究热点。二维本征磁性材料的发现为开发低维自旋电子学器件提供了巨大的可能。此外二维磁性材料剥离到单原子层,为在二维极限条件下研究基... 详细信息

随着晶体管尺寸不断缩小,摩尔定律逐渐面临失效。自旋电子器件目前已成为后摩尔时代新型器件的研究热点。二维本征磁性材料的发现为开发低维自旋电子学器件提供了巨大的可能。此外二维磁性材料剥离到单原子层,为在二维极限条件下研究基础磁学性质提供了理想的平台。二维范德华磁性异质结中高质量的界面为一些新奇物理现象如斯格明子,马约拉纳零能模等的探究提供了新的机遇。因此二维磁性材料及其异质结构的研究对自旋电子学,材料科学及凝聚态物理等前沿领域都具有重要的意义。目前对二维本征磁性材料的研究还处于初级阶段,一些传统材料体系中出现的物理现象例如反铁磁/铁磁的交换偏置效应、铁磁/非磁性材料之间的邻近效应、超导/铁磁界面的自旋三重态等在二维范德华磁性异质结中是否存在,很少有人报道,本论文以二维金属铁磁体Fe3GeTe2为研究对象,构建了反铁磁/铁磁MnPS3/Fe3GeTe2、超导/铁磁 NbSe2/Fe3GeTe2 以及 NbSe2/Fe3GeTe2/NbSe2 的范德华异质结,主要通过低温电磁输运技术探索Fe3GeTe2的磁电性能、MnPS3/Fe3GeTe2异质结的交换偏置效应、NbSe2/Fe3GeTe2异质结的超导性与铁磁性以及NbSe2/Fe3GeTe2/NbSe2异质结的约瑟夫森效应。具体而言,本论文可以分为以下几部分:第一章,介绍了二维本征磁性材料目前的研究进展,详细阐述了二维本征磁性材料的种类,磁性探测,磁性调控以及相关磁性范德华异质结构的研究进展。并且对自旋电子学的研究进行了系统介绍,主要阐述了自旋电子学中的一些现象包括磁阻效应,霍尔效应,自旋轨道耦合效应,超导自旋电子学等。最后提出了本论文的研究思路与研究内容。第二章,系统介绍了 Fe3GeTe2单晶的合成及其磁电性能的研究。通过化学气相输运法合成了高质量的Fe3GeTe2单晶,磁性表征揭示了 Fe3GeTe2块体的居里温度为183 K,并且具有较强的垂直磁各向异性。通过低温电输运对薄层Fe3GeTe2霍尔器件进行了系统测试,其反常霍尔电阻表现出近方形的磁滞回线,其纵向磁阻具有对称的蝴蝶形曲线。研究结果表明Fe3GeTe2纳米片具有较大的矫顽场、较高的居里温度以及强的垂直各向异性,进而使得Fe3GeTe2在隧穿磁阻、自旋轨道扭矩结构等自旋电子学器件中具有广阔的应用前景。第三章,系统研究了反铁磁/铁磁MnPS3/Fe3GeTe2范德华异质结构中的交换偏置现象及反对称磁阻效应。我们利用机械剥离和干法转移构建了MnPS3/Fe3GeTe2范德华异质结构。电输运测量结果显示当温度低于MnPS3的奈尔温度时,反常霍尔电阻出现了交换偏置现象。更有趣的是,在纵向电阻中观察到了一种不常见的反对称磁阻。一系列研究成果表明这种反对称磁阻是由于反铁磁/铁磁界面的交换耦合,导致Fe3GeTe2界面和体相之间发生不同步的磁化转换,进而Fe3GeTe2中不同的磁矩构型与自旋流中的自旋极化方向出现平行和反平行排列,导致对电子的散射不同。该研究成果表明人工堆叠的范德华异质结具有探索新的物理现象和应用于自旋电子器件的潜力。第四章,系统研究了超导/铁磁NbSe2/Fe3GeTe2范德华异质结构中的超导性和铁磁性。在NbSe2/Fe3GeTe2范德华异质结构中,利用邻近效应在NbSe2覆盖的少层铁磁Fe3GeTe2中诱导出超导性。Fe3GeTe2层的超导性通过电输运测量中的零电阻行为和NbSe2/spacer/Fe3GeTe2隧穿结构中超导约瑟夫森效应的特征振荡行为得到证实。反常霍尔电阻测试和磁力显微镜表征揭示了超导的Fe3GeTe2层中仍然具有弱的铁磁性,但该弱铁磁性与超导性在空间上是相互分离,还是彼此共存,目前我们在实验上还无法做出准确判断,需要更有效的原位观测手段去进一步证实,如STM或者ARPES等。我们的研究工作为探索自旋三重态、超导性和铁磁性之间相互作用提供了一个新的平台,为低耗散自旋电子学和拓扑量子计算提供了一个新的机会。第五章,设计了平面和垂直结构的NbSe2/Fe3GeTe2/NbSe2约瑟夫森结,对该范德华异质结构中约瑟夫森效应进行了系统地研究。研究结果显示垂直结构的约瑟夫森异质结中具有更强的约瑟夫森电流。通过测试超导临界电流对施加不同方向磁场B的响应,研究了其约瑟夫森结中不同方向的超导电流分布。研究成果显示Fe3GeTe2中的超导电流主要在其顶部和底部表面分布。该研究成果为探索自旋三重态和拓扑超导态等非常规物性提供了新的机会。第六章,总结了前面几章的研究工作,并在此基础上对未来的二维磁性材料的研究提出展望,我们认为未来的研究工作可以从新型二维磁性材料的探索、实验方法和探测技术的改进、新型范德华磁性异质结的构建以及低维自旋电子学器件的应用等几个方面进行。

关键词：二维材料范德华异质结构铁磁Fe3GeTe2 反常霍尔电阻反对称磁阻交换偏置 NbSe2 磁电输运

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基于少层过渡金属硫化物的范德华异质结构光电探测器研究

基于少层过渡金属硫化物的范德华异质结构光电探测器研究

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作者：魏侠中国科学院大学

学位级别：博士

石墨烯及类石墨烯二维材料的性质多样且互补，涵盖了从导体、半导体、超导体到绝缘体各种类型。从最初的输运性质，到光电器件和自旋电子器件等，二维晶体己渗透入众多现有的研究领域甚至开拓出一些新兴领域，有望在下一代信息传输器件... 详细信息

石墨烯及类石墨烯二维材料的性质多样且互补，涵盖了从导体、半导体、超导体到绝缘体各种类型。从最初的输运性质，到光电器件和自旋电子器件等，二维晶体己渗透入众多现有的研究领域甚至开拓出一些新兴领域，有望在下一代信息传输器件和能源存储器件领域得到广泛应用。与传统硅材料相比，二维材料具有诸多优势。首先，二维材料具有更广泛的禁带宽度分布范围(0～6eV)，其光敏感范围覆盖紫外光、可见光、红外光甚至太赫兹波段。其次，二维材料原子级的厚度使得他们表现出优异的机械柔韧性，更适用于可穿戴柔性电子器件。最后，二维材料表面没有悬挂键并且层间通过范德瓦尔斯相互作用结合，因此可以堆叠不同的二维材料形成范德华异质结构，而不需要考虑晶格不匹配的问题。多层范德华结构使具有更多优异性质的多功能光电探测器成为可能。本文中，尝试制备不同类型的范德华异质结构，用以提升二维光电探测器的性能并开发新的功能特性。具体内容如下:　　1.采用干法转移技术制备了基于非对称石墨烯电极的MoTe2异质结构光电探测器。非对称的石墨烯电极在MoTe2通道内产生了较强的内建电场(～100kV cm-1)，即使没有外加偏置电压，该异质结构也可展现出可见至近红外(400nm-1400nm)的宽光谱响应。在零偏压条件下，光响应度高达27.64mAW-1。空间分辨的光生电压谱图揭示了垂直交叠区域中光响应增强。本研究可以扩展至其他二维材料的非对称石墨烯电极光电探测器，并且可能广泛应用于未来低功率光电器件。　　2.制备了基于石墨烯夹层结构的WSe2/GaSe异质结构光电探测器，该器件表现出较强的整流特性，其整流比高达300。另外该异质结构展现出紫外-可见光的宽光谱响应。不仅如此，石墨烯夹层结构有效缩短了光生载流子的输运沟道，增大了光生载流子的收集效率，器件光响应度高达6.2AW-1，同时响应速度低至30μs。我们的研究结果揭示了石墨烯夹层异质结构在新型异质结构的电子与光电器件方面具有非常广泛的应用潜能。　　3.选用了直接窄带隙材料黑磷(BP)，制备了基于BP/ReS2异质结的光电探测器，将光电探测器的探测波长拓展至1800nm，实现了可见至近红外(400nm-1800nm)宽光谱探测。同时，该异质结构可以实现可见至近红外的偏振光探测。不仅如此，该异质结构表现出周期性可重复的光开关特性。这些优异的性质证明范德华异质结构是实现宽谱偏振光探测的有效途径。

关键词：光电探测器制备工艺范德华异质结构少层过渡金属硫化物

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石墨炔基范德华异质结构及其光电特性研究

石墨炔基范德华异质结构及其光电特性研究

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作者：张艳妮西北大学

学位级别：博士

随着科技的发展,人们对高性能、小尺寸、低功耗器件的需求日益增加。但随着特征尺寸缩小,传统的三维晶体管面临短沟道效应、量子隧穿效应、复杂的工艺等问题,器件性能急剧下降,但制造成本却大幅提升。以石墨烯为代表的二维（2D）材料家... 详细信息

随着科技的发展,人们对高性能、小尺寸、低功耗器件的需求日益增加。但随着特征尺寸缩小,传统的三维晶体管面临短沟道效应、量子隧穿效应、复杂的工艺等问题,器件性能急剧下降,但制造成本却大幅提升。以石墨烯为代表的二维（2D）材料家族由于面外无悬键、丰富的物化性质等,引起了微电子界的广泛关注。近些年基于不同2D材料的2D范德华异质结构（2D van der Waals heterostructures,2D vd WHs）,能够充分发挥各自2D材料的优异性质,同时又因界面耦合效应展现出其它新奇的物理特性,大大扩展了2D材料的研究范畴,为设计功能性材料与器件提供了新的机遇。石墨炔（graphyne,Gyne）这一新型二维碳材料由于具有丰富的碳化学键、大的共轭体系、宽的面间距,并展现出优异的半导体性能、高的载流子迁移率和可观的宽波段光吸收,在光电领域中具有潜在的应用前景。然而,Gyne的实验制备还处于初级阶段,关于Gyne光电探测的相关研究还比较少,探索和研究具有高性能Gyne 2D材料光电探测器是学术研究和推进实验进度的重要方向之一。此外,实验中引入Gyne增强g-C3N4光催化性能的界面物理机制还不明晰:是形成2D/2D异质结构的内建电场作用?还是形成新的C-N键作为载流子传输通道?本文采用第一性原理计算系统的研究了上述Gyne相关问题。具体研究内容和研究结果如下:一、首先研究了Gyne单层和Gyne双层的电子结构和光学性质。研究结果表明Gyne单层和Gyne双层均为窄直接带隙半导体,导带底（conduction band minimum,CBM）和价带顶（vanlence band maximum,VBM）都位于布里渊区的M点。Gyne单层的带隙为0.450 e V,而Gyne双层由于堆垛不同引起的晶格对称性的差异使得带隙在0.094 e V～0.418 e V之间。Gyne单层和Gyne双层在红外-可见-紫外光波段均有明显的光吸收,且Gyne双层的光吸收比Gyne单层更强。进而研究发现Gyne双层在外加应变下的带隙调制趋势与Gyne单层带隙调制趋势一致,均表现为在外加双轴拉伸应变下带隙增大,在外加双轴压缩应变和单轴压缩/拉伸应变下带隙减小。二、构建了不同堆垛Gyne/BNyne vd WHs,并研究其在外加应变和外加电场下的电子结构调制。研究发现Gyne/BNyne展现出典型的I型带阶排列特征,且该异质结构的I型带阶排列特征在外加应变、外加负栅压和外加小的正栅压下均得以保持,仅在大的正栅电场下发生了I/II型带阶排列的转换。此外,大的正栅电场下Gyne/BNyne vd WHs还展现出直接带隙特征,在红外-可见-紫外光波段均显示出显著的光吸收特性,对高量子效率的宽带光电探测器的实验制备具有积极作用。三、发现了氢原子和卤素原子功能化（H-和M-）对Gyne电子结构的调控,以此形成的H-Gyne/BNyne和M-Gyne/BNyne vd WHs能够实现I型、II型带阶的调控,为人工操控2D vd WHs的电学性能提供了新的思路。研究发现高覆盖度H-Gyne、F-Gyne和C-chain1+ring1构型Cl-Gyne均会使得Gyne/BNyne vd WHs变为II型带阶排列特征。不同地是,H-Gyne/BNyne和Cl-Gyne/BNyne vd WHs中BNyne层充当电子受主,而F-Gyne/BNyne vd WHs中BNyne充当电子施主。光吸收系数表明所有II型带阶排列的原子功能化Gyne/BNyne均在紫外光波段展现出强的吸收特性,而且Cl-Gyne/BNyne还展现出一定的可见光波段光吸收。研究不仅对紫外光电探测领域的应用具有一定的指导意义,而且发展了一种实现vd WHs带阶排列调控的新途径。四、设计了一种新型高量子效率、高鲁棒性的Gyne/BP vd WHs基近红外自驱动光电探测器。研究发现Gyne/BP vd WHs具有典型的II型带阶排列、高载流子迁移率、大的导带和价带带阶差以及近红外波段强的光吸收,展现出高达120 m A/W的自驱动光响应。外加应变和改变Gyne层厚,II型带阶排列、大的导带和价带带阶差以及近红外波段的光吸收特征均得以保留,证实了Gyne/BP vd WHs近红外自驱动光电探测性能的鲁棒性。相较于以往报道的2D vd WHs近红外自驱动光电探测器,Gyne/BP vd WHs不仅具有高鲁棒性的II型带阶排列使得空间电荷分离,而且具备高的载流子迁移率产生优异的电流输运,为高性能低功耗近红外光电探测器提供了新途径。五、研究并揭示了g-C3N4中引入Gyne或GDyne提高光催化性能的内在物理机制,并发展出一种采用BN对掺杂调制2D碳材料的电子结构,从而调控vd WHs光催化性能的新途径。研究发现Gy

关键词：第一性原理计算范德华异质结构电子结构光学性质光电性能光催化

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基于二维材料范德华异质结构的新型热载流子器件的研究

基于二维材料范德华异质结构的新型热载流子器件的研究

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作者：李泠霏浙江大学

学位级别：博士

随着摩尔定律接近极限,传统的半导体技术已进入发展瓶颈期。如何利用新原理、新材料和新结构来解决和优化传统半导体器件在尺寸微缩过程中遇到的性能、功耗和成本等问题是后摩尔时代半导体技术的发展重点。沿着Beyond CMOS的战略路线,... 详细信息

随着摩尔定律接近极限,传统的半导体技术已进入发展瓶颈期。如何利用新原理、新材料和新结构来解决和优化传统半导体器件在尺寸微缩过程中遇到的性能、功耗和成本等问题是后摩尔时代半导体技术的发展重点。沿着Beyond CMOS的战略路线,本文分别从新材料体系、新物理机制、以及新器件结构这三个方面展开思考和研究,旨在解决热载流子器件的机理分析、性能提升、功能拓展等科学问题。材料方面,本文以新兴的二维材料作为主要研究体系;物理机制方面,本文以热载流子作为主要研究对象;器件结构方面,本文基于范德华异质结构搭建了不同的、实现特定功能的固态器件。本文主要研究了四种热载流子器件,具体包括:(1)本文首先研究了基于等离激元纳米结构/石墨烯/氮化硼/石墨烯的近红外光电探测器件。本文以物理机制作为主要研究重点,探索了利用表面等离激元实现石墨烯中的超热载流子的激发,打破了内光电效应的波长阈值限制,实现低于带阶势垒的光响应。此外,本文还研究了超热载流子的微观物理过程及其引起的负微分光响应现象。(2)然后研究了基于手性表面等离激元/单层硫化钼异质结构的常温谷霍尔晶体管。本文从新信息载体角度出发,提出和实现了一种常温工作的,实现谷信息的产生、输运、收集、调控等全套功能的能谷晶体管。通过表面等离激元的手性实现了谷极化的产生,通过热载流子实现了谷极化的注入,利用不同能谷Berry曲率产生的赝磁场和霍尔架构实现了谷信号的读出,通过栅压实现了谷信号的调控。(3)接着研究了基于石墨烯/等离激元超构表面/硅异质结构体系的红外片上偏振探测器。论文从多功能集成的思路出发,构建了一个无分光部件的四像素光电探测器件,该器件能够实现光的强度和偏振信息的片上获取。偏振测定功能通过设计不同取向和手性的超构表面实现。硅基肖特基结构实现了光生载流子的及时抽取和分离。该器件展现出了较好的偏振测定功能。(4)最后论文研究了基于石墨烯/硒化钨/石墨烯/氮化硼/石墨烯这一五层垂直堆叠的范德华异质结构的热电子晶体管。论文设计并实验展示了第一个基于全二维材料的热电子晶体管,并且获得了接近理论极限的共基极收集效率。此外,该论文还讨论了利用热电子晶体管来研究热电子能谱的可行性及优势。该论文的研究表明,二维材料不但赋予了微纳器件在异质集成上的自由度和高质量界面,还使得器件展现出很多体材料器件不具备的性能优势和功能特性。论文中的研究结果展现了二维材料及其范德华异质结构在后硅时代半导体技术中的应用前景。

关键词：二维材料范德华异质结构等离激元超构表面热载流子器件偏振探测谷信息器件

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二维石墨炔范德华异质结构的电子结构

二维石墨炔范德华异质结构的电子结构

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作者：孙楠天津理工大学

学位级别：硕士

二维单层γ-石墨炔是一种具有丰富的碳化学键、良好的热电性能和半导体性能的新型全碳材料。因为特殊的分子结构和物理性质,石墨炔在工业催化、储氢、锂离子动力电池以及海水淡化等能源领域都有着潜在的应用前景。石墨炔和二维非磁性(... 详细信息

二维单层γ-石墨炔是一种具有丰富的碳化学键、良好的热电性能和半导体性能的新型全碳材料。因为特殊的分子结构和物理性质,石墨炔在工业催化、储氢、锂离子动力电池以及海水淡化等能源领域都有着潜在的应用前景。石墨炔和二维非磁性(或磁性)材料复合构成的二维范德华异质结构也会表现出新颖的物理性能。通过外加垂直电场、双轴应力等手段也能够调控二维异质结构的电子特性,为其在纳米电子学器件中的设计和应用提供了重要的理论依据。本文采用密度泛函理论系统地探究了:(1)二维石墨炔/WSe Te异质结构的电子结构和Rashba分裂;(2)二维石墨炔/VI异质结构的电子结构和磁性的调控;(3)二维石墨炔/Janus VIBr异质结构的电子结构和磁性。通过计算二维石墨炔/WSe Te异质结构的电子结构,可以发现不同的电子堆叠模式会影响石墨炔/WSe Te异质结构的接触形式(石墨炔/Te WSe异质结构形成欧姆接触,石墨炔/Se WTe异质结构形成肖特基接触);垂直电场作用下,石墨炔/Se WTe异质结构由肖特基接触转化为欧姆接触;覆盖石墨炔层能够增强Janus WSe Te单层膜的电偶极矩和Rashba自旋分裂,同时外加电场可以进一步增强异质结构的Rashba自旋分裂。通过计算二维石墨炔/VI异质结构的电子结构和磁性,发现了不同的堆叠模型可以使VI单层在异质结构中显示出半导体或半金属特性;覆盖石墨炔层增加了VI单层的垂直磁各向异性(Perpendicular magnetic anisotropy,PMA);而双轴应力和层间距离则可以调节石墨炔/VI异质结构的电子结构和磁性;同时,减小层间距离可以增强石墨炔/VI异质结构的层间相互作用,进一步促进电荷转移。通过计算二维石墨炔/Janus VIBr(石墨炔/VIBr)异质结构的电子结构,发现通过结合石墨炔层使Janus VIBr单层表现出了半金属特性;与纯净的单层Janus VIBr相比,石墨炔/VIBr异质结构的PMA增大;在-4%压缩应力下,石墨炔/VIBr异质结构中Janus VIBr单层出现了从半金属特性向金属特性的转变;此外,压缩应力能够进一步增强石墨炔/VIBr异质结构的PMA。

关键词：范德华异质结构 Rashba自旋分裂肖特基接触半金属特性磁各向异性

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二维范德华异质结构的电子结构调控

二维范德华异质结构的电子结构调控

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作者：王嘉铭天津理工大学

学位级别：硕士

二维范德华异质结构因为其良好的电子结构和物理性质,受到了人们的广泛关注。由不同的二维材料上下排列堆叠而成的范德华异质结构为设计光电纳米电子器件提供了更多的可能性。本文基于密度泛函理论主要研究了:(1)二维石墨烯/Ga Al SSe... 详细信息

二维范德华异质结构因为其良好的电子结构和物理性质,受到了人们的广泛关注。由不同的二维材料上下排列堆叠而成的范德华异质结构为设计光电纳米电子器件提供了更多的可能性。本文基于密度泛函理论主要研究了:(1)二维石墨烯/Ga Al SSe范德华异质结的电子结构及调控;(2)二维III族硫化物p-n异质结构电子结构及调控。将石墨烯与其他半导体材料堆叠起来构成范德华异质结为研究二维(2D)材料的物理性质和应用提供了新的方法。本章基于第一性原理来研究石墨烯/Ga Al SSe异质结构的界面键合与电子性能。计算表明,单层石墨烯和Ga Al SSe的基本属性在异质结构中得到很好地保留,异质结界面处形成了一个较小的肖特基势垒(SBH)。通过增加界面距离,可以减少石墨烯与Ga Al SSe异质结构的界面处的n型肖特基势垒。另外,施加负电场可以将肖特基接触变为欧姆接触。更具吸引力的是,调整界面距离或利用外部电场可以很好地控制肖特基势垒高度,甚至可以改变石墨烯/Ga Al SSe异质结构界面上的肖特基接触类型(n型和p型),这些理论发现表明,异质结构中内置电场和表面电负性的协同作用在调节肖特基势垒中起着重要作用。石墨烯/Ga Al SSe异质结构中可控的电子特性和接触类型将为二维(2D)范德华场效应管的设计和生产提供指导。MoS和WSe等一些过渡金属二硫化物(TMDs),是水分解的高效光催化剂的候选材料。但是光生载流子的高重组率阻碍了它们的应用。于是我们将BS和BSe等III族硫化物与MoS等过渡金属二硫化物构成新型范德华(vd W)异质结来解决这个问题。基于第一性原理我们对BX/MX(M=Mo,W;X=S,Se,Te)异质结的电子结构进行分析,发现BSe/MoSe和BSe/WSe异质结构中导带和价带的贡献都来自于同一材料SOC比较纯净可以作为主要的调控对象。在应力的作用下可以有效的调节BSe/MoSe和BSe/WSe异质结的带隙大小。在外电场的作用下,异质结的带隙类型得到有效调控。我们的理论计算为设计基于TMDs的水分解光催化剂和低维光电器件提供了思路。

关键词：范德华异质结构肖特基势垒 Ⅲ族硫化物过渡金属二硫化物光催化剂

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二维铁电范德华异质结构的输运性质研究

二维铁电范德华异质结构的输运性质研究

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作者：谢爱杰中国科学技术大学

学位级别：硕士

铁电材料具有有序自发极化且自发极化矢量在外加电场下会发生改变。铁电隧道结(Ferroelectric tunnel junctions,FTJs)是一种基于量子力学隧穿效应的器件。当中间铁电层的厚度减小到纳米量级时会发生隧穿效应,铁电层极化方向反转引起隧... 详细信息

铁电材料具有有序自发极化且自发极化矢量在外加电场下会发生改变。铁电隧道结(Ferroelectric tunnel junctions,FTJs)是一种基于量子力学隧穿效应的器件。当中间铁电层的厚度减小到纳米量级时会发生隧穿效应,铁电层极化方向反转引起隧穿势垒高度和宽度的变化,导致电子隧穿的几率不同,出现的高、低电阻态可以作为逻辑态“0”和“1”,因此,在非易失性存储器中它具有很大的应用潜力。铁电隧道结研究的核心问题之一是如何获得高的电致电阻(tunnel electroresistance,TER)比率。目前研究最多的是三维铁电材料构建的铁电隧道结,然而三维铁电材料铁电层很厚时隧穿不能发生,而铁电层很薄时铁电性会消失,而且表面悬挂键会导致结构不稳定,因此铁电层既不能太厚,也不能太薄。由于器件小型化的需求,又要求铁电材料尽可能薄以增加存储密度。在最近几年崛起的二维铁电材料能够很好地解决三维铁电材料所面临的难题。它具有厚度薄、无悬挂键、稳定性高的优点,在铁电隧道结中占据着重要的地位。然而,现在二维铁电在隧道结的研究都是采用一种铁电材料去构建铁电隧道结。随着二维范德华异质结构研究的兴起,二维范德华铁电异质结构的特性如何?特别是,我们是否可以采用两种不同的二维铁电材料去构建铁电隧道结呢?构建出来的铁电隧道结是否具有优异的隧穿电致电阻特性?针对这些问题,我们开展了以下的研究。1、我们采用不同的二维面外极化铁电材料Sc2CO2和In2Se3构建了铁电异质结构,研究了其电子结构随各层铁电极化方向反转的变化。然后构建了用As掺杂In2Se3后与Sc2CO2构成Sc2CO2/In2Se3(Asse-i)范德华垂直异质结构作为左右电极,未掺杂的Sc2CO2/In2Se3范德华垂直异质结构作为输运通道的铁电隧道结。通过增加输运通道的长度,发现随着中心区的增长,TER逐渐变大,最终在通道长度n=7时,呈现出107%的巨大TER比率。分析发现,这源于两种铁电材料接触表面功函数的不同,使得两种铁电材料之间发生或不发生电荷转移。结果表明了铁电范德华异质结构在铁电隧道结设计中的重要性,并以合理选择组分材料功函数和带隙为特点,提出了一种可行的设计方案。2、我们进一步研究了 Sc2CO2/In2Se3范德华铁电异质结构中的光学伽伐尼效应,发现在光子能量比较小时,极化方向都向上(P↑↑)的光电流比极化都向下(P↑↑)时的光电流小得多,分析得知在P↑↑绝缘态下,光子能量需克服一个带隙才能实现的电子的激发。而在P↓↓金属态下,光子能量可以直接从价带激发到导带,因此光电流大得多。结果说明了二维铁电异质结构引起的电学性质的巨大变化不仅可以通过加电压的方式进行观测,也可以通过光照所产生的光电流的方式进行探测。

关键词：二维铁电材料范德华异质结构二维铁电隧道结隧穿电致电阻效应光学伽伐尼效应

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二维范德华异质结构在光催化领域的应用

引用

化学世界 2018年第11期59卷 697-708页

作者：耿婷婷胡丽芳何杰安徽理工大学化学工程学院安徽淮南232001

二维材料(Two-dimensional materials)中,层板不带电荷的中性材料,如石墨烯、过渡金属二硫化物(TMDs)和六角氮化硼(h-BN)等是构建范德华异质结构的单元材料。构建的范德华异质结构材料在带隙工程上具有良好性质,能够拓宽其在光催化领域... 详细信息

二维材料(Two-dimensional materials)中,层板不带电荷的中性材料,如石墨烯、过渡金属二硫化物(TMDs)和六角氮化硼(h-BN)等是构建范德华异质结构的单元材料。构建的范德华异质结构材料在带隙工程上具有良好性质,能够拓宽其在光催化领域的应用。讨论了范德华材料的结构、性质,范德华异质结构的带隙工程性质及其在光解水产氢和光催化降解污染物方面的应用。

关键词：二维材料范德华异质结构带隙工程光催化

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