1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1国内外研究现状

二维晶体指的是厚度在一个原子层到几十纳米之间的晶体。独特的结构给二维晶体带来了特殊的性质，使之在很多领域都有广阔的应用，石墨烯就是其中的典型代表。2004年，科学家第一次剥离出单层石墨烯，发现它具有的众多优良性质，例如，石墨烯同时具备有很大的强度（130 gpa）与超高的载流子迁移率（15000 cm²/(v·s)）。但是，石墨烯受限于它的零带隙，在半导体工业与光电器件的应用上有着难以逾越的障碍。因此，众多研究人员都希望寻找到兼具合适带隙与高载流子迁移率的新二维材料。在这种情况下，黑磷的出现让很多研究人员眼前一亮。与石墨烯类似，黑磷也是一种二维层状材料，层间以范德华力连接，因此可以被剥离。相比于石墨烯，二硫化钼等二维材料，黑磷有着很多独特的性质。它的开关比高达10⁵，而载流子迁移率也有10³ cm²/(v·s)，在半导体器件领域应用前景广阔。独特的各向异性结构也导致黑磷存在着有别于石墨烯的各向异性光电性质。凭借着自身的优良性质，二维黑磷在近几年得到了广泛的研究，在光学，器件，医药等众多领域都有不俗的表现。

尽管黑磷的性质十分优异，但是它在空气中容易与氧气发生反应，制备较为困难。在这种情况下，利用第一性原理计算的方法，在理论上模拟得到黑磷的性质就显得尤为重要。第一性原理计算基于量子力学原理，由原子的种类与位置直接计算得到物质的性质。相比于实验方法，第一性原理计算的结果偶然因素较小，在金钱与时间上的花费也更低，最重要的是能够帮助解释物质宏观性质背后的原理。在黑磷的研究上，第一性原理也发挥了重要的作用，在实验之前预言了不同层数的黑磷均具有直接带隙，且带隙大小随层数可调，另外，还有人通过理论计算得到了黑磷的各向异性光电性质。

2. 研究的基本内容与方案

在本次毕业设计中，我会通过第一性原理计算得到黑磷的电子结构和光学性质，具体使用的计算软件是VASP，采用的建模，分析软件是MedeA。VASP是目前应用最为广泛的材料模拟商用软件之一，在计算的准确性与速度上均表现较好。在计算时，我们首先导入黑磷单胞的晶体结构，然后在此基础上进行扩胞。然后选取合适的赝势，K点，截断能，将得到的初始结构优化，得到晶格常数等参数。在此基础上，再用优化好的结构计算黑磷的能带，态密度，光学性质等等。计算好之后，再通过MedeA软件，图形化计算结果，将计算数据导入Origin中绘制能带图，分波态密度图，不同方向下的光学吸收谱与反射谱。数据处理完成之后，再将能带与态密度，光学性质对应分析，探讨其中的物理机理以及可能带来的应用。

实验部分我们采用的是液相剥离法制备二维黑磷。首先，我们要将块状黑磷晶体研磨成粉末，然后，将粉末分散于NMP溶液中，先通过探头超声一段时间，然后再水浴超声一段时间。在超声的过程中，要通过冰浴等方式保证温度不能太高，同时，由于黑磷极易与氧气发生反应，在操作过程中黑磷要一直在纯NMP中，隔绝空气。在超声全部完成之后，可以通过不同转速的离心获得所需尺寸的黑磷。在制备完成后，黑磷应该密封储存。

3. 研究计划与安排

第1－3周：

1.阅读学习vasp操作手册，熟悉vasp与medea的操作，了解相关的理论原理。

2.阅读相关文献，构建晶体模型，确定计算参数。

4. 参考文献（12篇以上）

1 castellanosgomez a, vicarelli l, prada e, et al. isolation and characterization of few-layer black phosphorus[j]. 2d materials, 2014, 1(2):025001

2 brown a, rundqvist s. refinement of the crystal structure of black phosphorus[j]. acta crystallographica, 1965, 19(4):684–685.

3 slater j c, koster g f, wood j h. symmetry and free electron properties of the gallium energy bands[j]. physical review, 1962, 126(4):1307-1317.