摘 要

近些年，二维纳米材料独特的物理特性吸引了科学家的广泛关注。虽然石墨烯和过渡金属硫合物有许多优良的特性，但是石墨烯的零带隙和较低的电子迁移率都阻碍了它们在半导体电子器件上的应用。而新型材料磷烯由于其随层数变化的带隙和较高的电子迁移率成为二维纳米材料的又一热点。

第二章主要是模拟计算的理论背景。以计算机作为辅助手段，基于严谨的密度泛函理论的第一性原理计算是结构设计、性能预测、理论研究的重要研究工具。

第三章和第四章中主要介绍本文的研究成果：首先对本征磷烯模型的结构和电子特性的计算结果进行总结归纳。能带图与文献极为吻合，显示出宽度为的直接带隙，这也表明了计算结果的合理性。Au常被用于纳米器件的电极，在纳米尺度下，能表现出丰富奇异的性质。因此，本文选择Au原子作为掺杂原子对本征磷烯的性质进行调制。随后，利用模拟计算软件ATK构建了理想的单Au原子掺杂磷烯模型和双Au原子掺杂磷烯模型。通过计算得到优化后的几何结构，双Au原子掺杂体系需要考虑7种不同的掺杂位置，通过计算结合能得到结构最稳定的掺杂位置。掺杂之后的体系都转变为具有间接带隙、半金属特性。并对态密度和差电荷密度进行了讨论。最后，利用ATK的Python脚本语言编写功能，本文计算了三种体系的光学性能参数，包括介电函数、吸收系数、折射率和反射率。掺杂之后的体系都表现出了不同程度的红移现象。

总之，本文的研究结果可以为磷烯在掺杂体系上调制光电物理特性提供一些理论参考。

关键词：磷烯；第一性原理计算；能带结构；光学特性

Abstract

In recent years, the unique physical properties of two-dimensional nanomaterials have attracted the attention of scientists. And the new material phosphorene is a hot spot for two-dimensional nanomaterials due to its varying band gap and higher electron mobility.

The second chapter is the theoretical background of simulation. Taking the computer as an auxiliary means, the first principle calculation based on the rigorous density functional theory is an important research tool for structural design, performance prediction and theoretical research.

The third chapter and the fourth chapter mainly introduces my research result: First, we summarized the calculation results of the structure and electronic properties of the intrinsic phosphorene model. The band diagram is very consistent with the literature, showing the width of the direct band gap, which also shows the rationality of the calculation results. And I chose the Au atom as a dopant atom to modulate the nature of the intrinsic phosphorene. Second, the single Au atom doped phosphorene model and double Au atom doped phosphorene model were constructed by using the simulation software ATK. Au atoms appear inward relaxation phenomenon. the changes of electrical characteristic parameters are calculated and discussed. Last, using ATK's Python scripting language to write the function, the optical performance parameters of the three systems are calculated, including the dielectric function, the absorption coefficient, the refractive index and the reflectivity. After the doping system showed a redshift phenomenon.

In short, The results of this study can also provide some theoretical reference for the modulation of photoelectric physical properties of phosphorene in doping system.

Key words: phosphorene；first principle calculation；band structure；optical properties

目 录

第1章 绪论 1

1.1 二维纳米材料 1

1.2 石墨烯的简介及研究进展 1

1.3 二硫化钼的简介及研究进展 3

1.4 磷烯简介 4

1.4.1 磷烯的基本物理性质 4

1.4.2 制备方法 5

1.4.3 国内外研究进展及其应用 6

1.5 本论文的主要研究内容 7

第2章 第一性原理计算 9

2.1 引言 9

2.2 多粒子体系的量子基础 9

2.2.1 多粒子体系的哈密顿量 9

2.2.2 Born-Oppenheimer 近似 10

2.2.3 Hartree-Fock近似 10

2.3 密度泛函理论 11

2.3.1 Hohenberg-Kohn定理 11

2.3.2 Kohn-Sham 方程 12

2.3.3 交换关联泛函 13

2.4 平面波赝势方法 15

2.5 计算软件包 16

第3章 磷烯掺杂Au原子电学性质研究 17

3.1 引言 17

3.2 计算方法 17

3.3 磷烯的电子结构及其性质 18

3.3.1 几何机构 18

3.3.2 能带结构和电子态密度 18

3.4 单个Au原子掺杂磷烯的电学性质研究 21

3.4.1 电子结构 21

3.4.2 能带结构和电子态密度 21

3.4.3 差分电荷密度 22

3.5 磷烯掺杂双Au原子物理电学性质研究 25

3.5.1 几何结构 25

3.5.2 能带结构和电子态密度 27

3.5.3 差分电荷密度 28

第4章 磷烯掺杂体系光学性质研究 30

4.1 引言 30

4.2 结果分析 30

第5章 总结与展望 34

5.1 总结 34

5.2 展望 34

参考文献 36

致 谢 41

本科期间发表论文与研究成果 42

绪论

二维纳米材料

半导体材料是用来制备各种电子器件的基本材料。随着科学技术的发展，第一代的半导体材料硅、锗逐渐发展为第二代的砷化镓，以及第三代的Ⅲ—Ⅴ族的氮化镓、Ⅱ—Ⅵ族的氧化锌^[1,2]等。但是传统的半导体由于自身结构特点在器件尺寸和精细度上存在限制，其应用已经越发显得捉襟见肘。随着科技的发展，科学家们期望寻找新的材料用于改进半导体电子器件。

正如计算机的发展不断趋向于小型化，电子器件的大小也逐渐向纳米量级发展。小型化意味着单位尺寸上的元件数量可以扩大，电子器件的运行速度也能得到质的飞跃^[3]。以石墨烯为代表的二维纳米材料引起了科学家的广泛兴趣。与传统半导体材料相比，二维纳米材料有以下主要优点：第一，二维纳米材料具有特殊的晶格结构，尺寸一般只有1nm-100nm，材质软易于集成，种类繁复易于制备，并且在化学反应中大的比表面积提供了多的反应位点^[4]；第二，维度上的几何尺寸限制会出现宏观材料没有的奇特性质，随着尺度的降低，一维量子尺寸效应明显加强^[5]。因此可以说二维纳米材料是研究材料在纳米尺度下特殊现象的理想模型；第三，二维纳米材料的性质具有可控调制性，常见的方法包括改变边缘、不同位置的杂质掺杂、原子或分子吸附、原子掺杂、控制片层厚度、施加电场、拉伸应变等等。不同的方法可能使最初的材料展现前所未有的新奇物理现象，有利于拓展相关的创新性应用。二维纳米材料以其丰富多彩的物理特性和优越的性能给科学家们提供了新的思路，有望模块化逐渐代替传统的半导体材料，在后摩尔电路时代，开辟一条崭新的光电开发应用道路^[6]。目前相关的研究还处于方兴未艾的阶段，有很多二维材料的特性并没有研究清楚，从理论发现到实际应用还存在不小的差距。