基于从头算分子动力学的金属/氧化物-水界面能带排列

金属/氧化物的界面能带排列对于理解电化学界面有至关重要的作用。本文介绍了如何基于从头算分子动力学模拟得到金属/氧化物-水界面的能带排列。计算能带排列可与实验能带排列直接进行比较,以获得该电位下分子层面上的理解。金属界面的能带排列可与实验测定的零电荷电位对比,半导体氧化物界面的能带排列可与实验上零电荷点下测定的平带电势相比较。

二维异质结MoS2/WSe2能带排列的第一性原理研究

由于二维材料具有丰富的物理化学性质,比如在场效应管、薄膜电路等低微纳米器件上有巨大的潜在应用价值,从而吸引了研究者们的广泛关注和兴趣.本文中,我们采用第一性原理方法,对两种二维材料MoS2和WSe2组成的一种新形式的异质结进行能带排列方面的探索.首先,我们将两种材料堆叠成垂直方向,增大层间距,考察基本没有相互作用时的能带排列.然后,我们分别考察MoS2/MoS2-WSe2以及WSe2/WSe2-MoS2两种结构.结果发现,在组成异质结材料之后,层间的弱相互作用对两个组分材料的能带和态密度都有非常重要的影响.随着双层区域尺寸的增加,其价带顶和导带底都会有连续的变化,能带排列趋于安德森极限.此理论工作,将有助于人们理解各种类型的二维异质结能带排列情况,进而帮助理解低维器件的性能变化.

InAs／GaAs应变异质界面能带排列的极端应变效应

建议用一种基于超晶格自洽超原胞计算的形变势方法来确定ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ应变异质界面的能带排列情况。该方法全面考虑了界面电荷、弹性应变以及自旋－轨道耦合等因素对能带排列的影响。结果表明，ＩｎＡｓ／ＧａＡｓ异质界面的能带排列具有极端显著的应变效应，通过人工控制其平面内晶格常数（可由选择不同的衬底来实现），可使其成为Ⅰ型，Ⅱ型超晶格或金属。此应变效应主要来源于单轴应力及其与自旋－轨道分裂的耦合，而流体静压和界面电荷的作用则相对很小．本文对以ＧａＡｓ为衬底情况下的计算结果与Ｘ射线光发射实验数据相一致。

n-InN/p-NiO异质结能带排列的X射线光电子能谱测量

为了准确确定n-InN/p-NiO价带和导带的补偿,使基于n-InN/p-NiO异质结的光电子器件应用和器件模型分析更加科学,利用X射线光电子能谱测量了n-InN/p-NiO异质结的价带补偿。异质结的价带补偿值为0.38±0.19 eV,导带补偿为3.33±0.19 eV,表明该异质结为交错型能带排列。与具有断带型能带排列的InN/Si和InN/GaAs异质结相比,n-InN/p-NiO异质结可以更容易地形成p-n结。

ε-Ga_(2)O_(3)/4H-SiC异质结的能带排列分析

本文利用X射线光电子能谱法(XPS)研究了ε-Ga_(2)O_(3)/4H-SiC异质结的能带排列(band alignment)。实验所用的样品均采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)制得。通过紫外-可见吸收光谱测量,得到SiC和Ga_(2)O_(3)的光学带隙分别为3.29 eV与4.80 eV。Ga_(2)O_(3)/SiC界面的价带偏移量与导带偏移量分别为0.61 eV和0.9 eV。Ga_(2)O_(3)/SiC异质结表现为Ⅰ型能带排列。

锐钛矿型TiO_(2)(001)和(100)面能带排列的理论研究

对于半导体光催化反应,表面水的吸附状态会影响半导体的能带位置,进而影响其光催化效率.本文基于密度泛函理论,通过构建单层水吸附的锐钛矿型TiO_(2)(001)和(100)表面模型,计算了不同水吸附状态下的吸附能,从而来初步预测两种表面最稳定的水分子吸附构象.计算结果表明,水分子在TiO_(2)(001)和(100)表面上混合吸附时对应的吸附能最低.因此,两种表面热力学上最稳定的单层水吸附构型是混合态吸附.另外,水分子的吸附会导致TiO_(2)(001)和(100)面的能带位置发生上移,从而靠近真空能级.相比于TiO_(2)(001)面,(100)面能带位置上移程度更大.

表面缺陷对CdS(100)面能带排列影响的理论研究

采用基于第一性原理的方法,研究了表面空位缺陷(Cd、S空位)对CdS(100)面能带排列的影响.对空位缺陷体系的几何结构进行优化,发现Cd、S空位的引入分别会产生负电荷中心和正电荷中心,从而引起缺陷周围原子的结构发生弛豫.一定程度的晶格结构扭曲将有利于光生载流子在表面的定域,从而促进光生电荷的分离.另外,能带位置计算结果表明,Cd空位的存在会引起CdS(100)面的价带顶位置下移,导带底位置上移,从而禁带宽度变宽.但是,S空位的引入会导致能带位置呈现出相反的变化趋势,从而禁带宽度变窄.因此,形成S空位缺陷不仅可以提高光生载流子的分离,而且可以有效拓宽CdS对可见光的吸收范围,从而改善其光催化活性.

二维MoSi_(2)N_(4)/WSe_(2)异质结的第一性原理研究

实验上新合成的MoSi_(2)N_(4)(MSN)由于其独特的七原子层结构和电子特性引起了人们的广泛关注.本文搭建了一种由二维MSN与二维WSe_(2)(WS)垂直堆垛而成的二维MSN/WS异质结并基于第一性原理计算对其电子性质进行了计算,其表现出直接间隙半导体和I型能带排列的特性,具有1.46 eV的带隙.在异质结界面处存在一个由电荷耗尽层MSN指向电荷积累层WS微弱的内建电场.最后,通过施加双轴应变对二维MSN/WS异质结进行调控.发现在正双轴应变的作用下,MSN/WS异质结保持了原来直接带隙半导体和I型能带排列特性;在负双轴应变作用下,MSN/WS异质结由原来的直接带隙半导体转变为间接带隙半导体,当施加的负双轴应变达到-6%与-8%时,I型能带排列转变为Ⅱ型能带排列.

2D/3D钙钛矿异质结中多重量子阱的形成使声子瓶颈效应失效

声子瓶颈效应对有机-无机杂化钙钛矿光电性能的重要性已经广为认知.虽然在2D/3D异质结构中经常产生随机分布的多重量子阱结构,但人们对2D/3D钙钛矿异质结构中多重量子阱的形成对声子瓶颈效应的影响知之甚少.本文使用2D有机-无机杂化钙钛矿(NH_(3)(CH_(2))_(8)NH_(3)PbI_(4))去钝化3D有机-无机杂化钙钛矿,构建了2D/3D钙钛矿异质结构,并通过光致发光光谱和飞秒光泵浦太赫兹探测光谱研究了其激子和载流子动力学.观察到了多重量子阱结构的形成,并建立了激子形成时间、热载流子冷却速率和有效电荷载流子迁移率之间的结构-动力学-性能的构效关系.多重量子阱结构的形成可使声子瓶颈效应失效,并且调控2D/3D钙钛矿异质结的光电性能.该工作为构建2D/3D钙钛矿异质结构策略中认识能带排列和声子瓶颈效应的重要性提供有价值的信息.

多层HfO_2/Al_2O_3薄膜基电荷陷阱存储器件的存储特性研究

借助脉冲激光沉积和原子层沉积系统,采用SiO2作为隧穿氧化物,Al2O3作为阻挡氧化物,制备了多层HfO2/Al2O3薄膜基电荷陷阱存储器件。实验发现,当电极偏压为±12 V时,存储窗口达到7.1 V,电荷存储密度约为2.5×1013cm-2。HfO2/Al2O3之间的界面在电荷存储过程中起着关键的作用,更多的电荷存储在界面的陷阱之上。经过3.6×104s的保持时间,25,85和150℃测试温度下,器件的电荷损失量分别为5%,12%和23.5%。线性外推实验数据得到,150℃下,经过10年的电荷损失量约为42%。器件优异的保持性能主要归因于HfO2/Al2O3薄膜之间较大的导带补偿。由此可以看出,多层HfO2/Al2O3薄膜基电荷陷阱存储器件是一种极具应用前景的电荷存储结构。

用HREELS和UPS研究多孔硅的电子结构

使用高分辨电子能量损失谱 (HREELS)和紫外光电子能谱 (UPS)研究了新腐蚀的多孔硅 (PS)样品的电子结构。实验结果表明 ,从HREELS谱中能量损失阈值测得的PS的能隙移到 2 .9eV ,与文献报道的光激发谱 (PLE)结果相近。UPS结果表明PS的费米能级到价带顶的距离不同于单晶Si。

SnS壳层厚度对ZnO/SnS核壳结构纳米棒光致发光性能的影响

通过简单的水热法制备了ZnO纳米棒,然后成功地在ZnO纳米棒上修饰了一层SnS壳层,形成了ZnO/SnS核壳结构纳米棒。利用X射线衍射、扫描电子显微镜和透射电子显微镜对上述核壳结构进行了表征。结果表明制备的ZnO纳米棒直径在20~200nm,长度达1μm,随着SnS壳层修饰时间的增加壳层厚度逐渐增加。PL分析表明,当SnS壳层厚度很薄时,由于ZnO纳米棒表面态得到了修复,ZnO纳米棒的PL强度得到了很好的提升;但当SnS壳层厚度达到一定程度后,该核壳结构会形成一种Ⅱ型能带排列,这样该核壳结构的PL强度反而会被降低。

钙钛矿/NiO异质结结构和性质的第一性原理研究

空穴传输层与钙钛矿吸光层形成的异质结界面处的能带排列以及点缺陷的存在是影响钙钛矿太阳能电池光电转换效率的2个重要因素.采用基于密度泛函理论的第一性原理计算研究了钙钛矿/NiO异质结的结构和性质,探讨了异质结中的点缺陷、价带和导带的能级排列、碱金属K掺杂钙钛矿层和过渡金属Zn掺杂NiO层对电子-空穴的分离与输运的影响.计算的晶格失配度和结合能表明MAPbI_(3)和MASnI_(3)的(001)面与NiO(100)面能够形成稳定的异质结,且形成NiO/PbI_(2)和NiO/SnI_(2)异质结的可能性更大.形成异质结后钙钛矿层中的绝大多数空位缺陷形成能都有所降低,说明缺陷在异质结的界面处更容易形成.异质结中的主要缺陷是在富碘条件下产生的VPb,VSn和VMA,这些缺陷对异质结中空穴的分离和传输十分不利,建议在富铅条件下构建NiO/MAPbI_(3)和NiO/MASnI_(3)异质结.用碱金属K原子对异质结的钙钛矿层进行掺杂,可以使钙钛矿层和空穴传输层有更匹配的能带排列,提高NiO/PbI_(2)和NiO/SnI_(2)异质结的空穴分离和运输效率,降低载流子的复合.对异质结中NiO层进行Zn取代掺杂能够使NiO/PbI_(2)和NiO/SnI_(2)异质结获得更合适的价带偏移(VBO),有利于空穴的分离和传输,提高电池的光电转换性能.本研究可为新型高效钙钛矿太阳能电池的设计开发提供理论指导.

AlAs/InSe范德华异质结构的光学和可调谐电子特性

由不同二维(2D)材料相互堆叠形成异质结构已成为目前的研究热点,使用第一性原理的计算方法探究了AlAs/In Se异质结构的几何结构、电子性能和光学性质.结果表明,AlAs/InSe异质结构具有典型的Type-Ⅱ型能带排列并且拥有着1.28eV的间接带隙.通过调节层间距或施加外部电场和应变,可以有效地改变异质结构的带隙值.有趣的是,当应用5 V/nm的电场时,异质结构实现了从Type-Ⅱ向Type-Ⅰ的转变.此外,与孤立单层相比,AlAs/InSe异质结构的吸光度明显提高,特别是在紫外区域.表明新型的二维AlAs/In Se异质结可以作为光电材料和紫外探测器件的有力候选者.

电场和应变对砷烯/WS2 van der Waals异质结电子结构的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了砷烯/WS2 van der Waals异质结的稳定性和电子结构,同时考虑了电场和应变效应。计算结果表明:砷烯/WS2异质结为Ⅱ型能带排列,具有间接带隙。外电场不仅可以调节异质结的带隙宽度而且可以导致异质结由Ⅱ型能带排列转变为Ⅰ型能带排列。应变可以有效调节异质结的带隙宽度,但是不能导致能带排列类型的转变,异质结始终为Ⅱ型能带排列。

二维As-SnS_(2)垂直堆叠异质结的电子结构及光学性质

基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了二维As-SnS_(2)垂直堆叠异质结的几何结构、电子结构和光学性质。研究发现,AA堆叠和AB堆叠As-SnS_(2)异质结分别为间接带隙(0.361 eV)和直接带隙(0.323 eV)的半导体,均具有Ⅱ型能带排列的特点,利于分离光生电子-空穴对,提高光能量的利用;施加张、压应变均能有效减小AA堆叠和AB堆叠As-SnS_(2)异质结的带隙;异质结中As层表现为n型掺杂半导体,而SnS_(2)层表现为p型掺杂半导体;AA(AB)堆叠As-SnS_(2)异质结中,As层向SnS_(2)层的电荷转移为0.018 e(0.023 e),As-SnS_(2)异质结界面上电荷形成内建电场,加速分离光生载流子。此外,AA堆叠和AB堆叠As-SnS_(2)异质结在可见光和紫外光范围内的吸收系数均非常高,可望作为紫外-可见光电子器件的候选材料。