黑磷表面磷原子空位缺陷及C60单分子层的扫描隧道显微学研究

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近年来,以石墨烯为代表的二维材料因其丰富的、优异的光电性能以及在电子和光电器件等方面的应用前景成为凝聚态物理、材料化学及纳米技术等领域的研究热点。黑磷因为其可调节的带宽,高迁移率和极强的各向异性更是引人注意。了解黑磷及其缺陷的晶体结构及电学特性对于深入了解和应用黑磷材料至关重要,本论文中涉及到的工作就是结合低温扫描隧道显微镜/扫描隧道谱、密度泛函理论(DFT)计算和模型模拟,揭示了黑磷本征缺陷及黑磷-吸附物界面电子特性。本文第一项工作的研究重点是黑磷表面磷原子空位缺陷的电子态特征,即黑磷表面磷原子空位缺陷所引起的非对称性弗里德尔振荡(Friedel oscillations)。主要通过STM形貌图像(image)、d I/d V谱线、d I/d V-Mapping,统计分析提出缺陷周围弗里德尔振荡(Friedel oscillations)是非对称性的。这是首次利用STM发现非对称的Friedel oscillations。利用DFT和紧束缚模型计算,均重复出了这种非对称性,我们推测其根本起因是黑磷单层的磷原子不在同一高度造成的。本文第二项工作主要讲述了黑磷作为基底如何通过范德华力(van der Waals,vd W)调制基底上的C60单分子层使其具有类似近自由电子的导带。有机半导体中电子的离域程度对其在电子和光电子中的应用都至关重要,但由于有机分子里电子不能像在金属里一样自由移动,有机分子的电子离域很难实现。尽管有报道在金属基底上的单层有机体系里观测到具有离域特征的有机导带,但更多的研究表明,这种离域特征来自于金属基底的电子态而并非有机分子本身。通过实验和理论的结合,我们阐明在C60-BP体系里观测到的近自由电子导带起源于黑磷基底对C60单分子层的结构调制,通过晶格间距和分子间相互作用优化C60波函数的重叠,形成类似近自由电子带性。通过计算发现C60的近自由电子带的有效质量是0.53-0.70me(me是自由电子的有效质量),其载流子迁移率达到了几百cm2/(V·s),远大于在有机体系里观测到的迁移率。这项工作表明,即使是通常被认为的很弱的vd W作用,也可以在有机体系产生近自由电子能带的通道,从而为富勒烯和其他有机半导体中电荷离域化提供了一种新的途径。
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