掺Te磷烯的电子结构研究吴健虢

掺Te磷烯的电子结构研究

姓名：吴健虢学号：2011031010035指导老师：钟志亲1、本征磷烯2、掺杂浓度1/153、掺杂浓度1/3

新型二维材料继石墨烯、二硫化钼之后，2014年3月在《自然·纳米技术》杂志上，复旦大学物理系张远波教授课题组发现了一种新型二维半导体材料——黑磷，并成功制备了相应的场效应晶体管器件，它将有可能替代传统的硅，成为电子线路的基本材料。性质：1、光学性能。其带隙是直接带隙，而传统的硅或者硫化钼等都是间接带隙，这意味着黑磷和光可以直接耦合，这个特性让黑磷成为未来光电器件的一个备选材料。2、电学性能。当二维黑磷材料厚度在10纳米时，获得最高的迁移率值大约1000平方厘米每伏每秒。这些性能表明，二维黑磷场效应晶体管在纳米电子器件应用方面具有极大的潜力。

黑磷是磷的一种同素异形体,由单层磷原子堆叠而成二维半导体材料。一、本征磷烯优化前优化前优化后LengthA3.31000Å3.27382ÅLengthB4.38000Å4.663446ÅLengthC23.00000Å24.66346ÅAngleAlpha90.00090.000AngleBeta90.00090.000AngleGamma90.00090.000键长P1—P32.169Å2.203Å键长P2—P42.169Å2.203Å键长P1—P43.310Å2.249Å键长P2—P31.697Å2.249Å99.47895.990107.473104.784107.473104.7841、能带结论：（1）从图中可看出导带底和价带顶的位置，都位于G点。（2）磷烯是一种直接带隙半导体（3）禁带宽度Eg=0.927eV（4）由于电子的有效质量与能量对k的二阶导成反比，故可以看出沿着路径G到Z方向的电子有效质量小于沿着G到Y方向的电子有效质量，因此，G到Z方向的电子迁移率更大。即迁移率为各向异性的。2、态密度分析：1、由Dos图可以看出导带和价带的位置2、在价带顶和导带底附近态密度主要由3p轨道进行贡献，而其余三个轨道对态密度的贡献可以忽略；从整体上看，其余轨道的作用很小，3p轨道贡献较大。3、差分电荷密度分析：1、红色区域代表电子增加的区域，蓝色区域代表电子减少的区域，相邻两个p原子之间出现红色区域，表示相邻两个p原子存在公用电子。呈共价键特性。4、布居SpeciesIonspdftotalCharge(e)P11.763.240.000.005.000.00P21.763.240.000.005.000.00P31.763.240.000.005.000.00P41.763.240.000.005.000.00分析：各p原子之间没有得失电子，电子主要分布在p轨道和s轨道分析：1、从上表中我们可以看到，布居值都为正值，表示原子之间成正键，P1-P3和P2-P4的布局值明显大于P2-P3和P1-P4，因此，P1-P3和P2-P4之间的键要更稳定，共价键成分越多；2、键长和布局值成负相关的关系，即，相同原子间布局值越大，键长越小，原子之间作用力越强。BondPopulationLength(Å)P1--P30.862.20286P2--P40.862.20286P1--P40.392.24905P2--P30.392.24905二、掺杂浓度1/15计算参数参数值LengthA35.1892(Å)LengthB6.61754(Å)LengthC9.14171(Å)AngleAlpha90.0000AngleBeta94.5157AngleGamma90.0000Energycutoff

310(eV)K-pointset1*1*11、能带结论：（1）从图中可看出导带底和价带顶的位置（2）磷烯是一种直接带隙半导体（3）禁带宽度Eg约为1.285eV（4）由于电子的有效质量与能量对k的二阶导成反比，故可以看出沿着路径G到Z方向的电子有效质量小于沿着G到Y方向的电子有效质量，因此，G到Z方向的电子迁移率更大。即迁移率为各向异性的。(5)掺杂后产生孤立能级2、态密度分析：1、由Dos图可以看出导带和价带的位置2、在价带顶和导带底附近态密度主要由3p轨道进行贡献，而其余三个轨道对态密度的贡献可以忽略；从整体上看，其余轨道的作用很小，3p轨道贡献较大。同本征磷烯的态密度特征相差不多。3、差分电荷密度掺杂的Te原子明显改变了电子分布，Te原子周围失去电子，而和Te相邻的P原子得到电子4、布居SpeciesIonspdftotalCharge(e)p11.763.230.000.004.990.01p21.75

3.280.000.005.03-0.03p31.763.210.000.004.980.02p41.833.200.000.005.03-0.03p51.763.230.000.004.990.01p61.753.280.000.005.03-0.03p71.763.210.000.004.980.02p81.833.200.000.005.03-0.03p91.773.240.000.005.01-0.01p101.773.220.000.004.990.01p111.783.260.000.005.04-0.04p121.783.230.000.005.000.00p131.763.250.000.005.01-0.01p141.773.220.000.004.990.01p151.823.310.000.005.12-0.12Te11.923.860.000.005.780.22掺杂后Te原子失去电子，提供给与Te相邻的P原子（P4、P8、P15）BondPopulationLength(Å)BondPopulationLength(Å)P7--P15

0.532.17345P3--P12

0.47

2.23691P3--P15

0.532.17345P7--P12

0.47

2.23691P6--P13

0.502.20183P5--P8

0.37

2.25303P2--P130.50

2.20183P1--P4

0.37

2.25303P4--P11

0.43

2.20317P6--P70.362.25951P8--P11

0.43

2.20317P2--P3

0.362.25951P2--P9

0.48

2.20567P13--P14

0.35

2.26603P6--P90.482.20567P9--P100.38

2.26948P5--P14

0.48

2.20668P11--P12

0.392.29481P1--P14

0.482.20668P8--Te1

0.34

2.50457P1--P10

0.49

2.21698P4--Te10.342.50457P5--P10

0.49

2.21698P4--P8

-0.24

2.95470三、掺杂浓度1/3计算参数参数值LengthA27.4431(Å)LengthB3.39074(Å)LengthC4.69174(Å)AngleAlpha90.0000AngleBeta85.8320AngleGamma90.0000Energycutoff

310(eV)K-pointset1*1*11、能带结论：（1）从图中可看出当掺杂（1/3）的磷烯半导体为零带隙（2）费米能级进入导带2、态密度分析：掺杂后不存在带隙，从整体上看，3p轨道对态密度贡献较大，其余轨道对态密度贡献很小；与本征情况类似3、差分电荷密度掺杂的Te原子明显改变了电子分布，Te原子周围失去电子，而和Te相邻的P原子得到电子4、布居AtomicPopulationsSpeciesIonspdftotalCharge(e)P11.833.190.000.005.02-0.02P21.873.370.000.005.24-0.24P31.773.210.000.004.980.02Te11.903.860.000.005.750.25分析：电子主要分布于p轨道和s轨道，P1和P3都是s轨道得到电子，p轨道失去电子。P2则是s、p轨道都得到电子，Te原子失去电子提供给P1和P2BondPopulationLength(Å)P2--P30.372.22888P1--P30.912.24369P2--Te10.062.63563P1--Te10.202.72471分析：P1--P3的布居最大，故成键最稳定