【摘 要】
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二维层状材料因其独特的几何结构和电学性质,受到人们越来越广泛的关注,有望在半导纳米体器件应用中成为传统块体材料的代替者.近年来,实验上成功制备出一种具有类石墨烯蜂窝状结构的新型二维材料—黑磷烯.由于黑磷烯具有优越的光电特性,且有着可调谐的带隙（0.3-2.0 eV）、极高的表面积体积比、较高的载流子迁移率(1000 cm2 V-11 s-1)和电流开关比（105）,使其在光电子器件、场效应晶体管和
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二维层状材料因其独特的几何结构和电学性质,受到人们越来越广泛的关注,有望在半导纳米体器件应用中成为传统块体材料的代替者.近年来,实验上成功制备出一种具有类石墨烯蜂窝状结构的新型二维材料—黑磷烯.由于黑磷烯具有优越的光电特性,且有着可调谐的带隙（0.3-2.0 eV）、极高的表面积体积比、较高的载流子迁移率(1000 cm2 V-11 s-1)和电流开关比（105）,使其在光电子器件、场效应晶体管和气敏传感器等领域中有着较广泛的应用潜力.然而现有理论研究表明边缘未钝化扶手型黑磷烯纳米带（APNR）为间接带隙半导体,并且载流子迁移率较低;而边缘未钝化锯齿型黑磷烯纳米带（ZPNR）有着金属性质.因此如何调控黑磷烯纳米带（PNR）电子结构,对金属-半导体结、隧穿场效应晶体管及分子吸附气体传感器中电子输运性质的研究具有重要理论意义.本文基于第一性原理对黑磷烯纳米带电子隧穿及气体分子吸附影响进行了以下研究:（1）边缘钝化对锯齿型黑磷烯纳米带金属-半导体结整流性能的影响采用密度泛函理论及非平衡格林函数方法系统研究了不同原子边缘钝化ZPNR电子结构及构成平面内金属-半导体结整流性能的影响.研究发现:H、F和Cl原子边缘钝化ZPNR后,表现出直接带隙半导体性质;而CO和S原子边缘钝化ZPNR后,表现为金属性.据此采用不同原子钝化的ZPNR结构构建了平面金属-半导体结.通过计算电流电压特性,可发现此平面金属-半导体结具有很好整流性能,并且发现钝化原子类型对平面金属-半导体结整流比起到重要作用.研究结果对基于ZPNR功能性纳米器件或者肖特基势垒二极管的进一步设计具有理论指导意义.（2）不同边缘钝化黑磷烯纳米带隧穿场效应晶体管性能的研究我们采用第一性原理研究了边缘钝化ZPNR和APNR电子结构及TEFT的电子输运性质.结果表明:H、F和Cl三种原子边缘钝化PNR后,均为直接带隙半导体,带隙变化不明显.对于栅长为6.6 nm的H、F和Cl钝化APNR TEFT开态电流达到4×104 nA,开关比达到105;而ZPNR TEFT可以获得极低的关态电流10-88 nA和较大的电流开关比109.（3）氢原子钝化锯齿型黑磷烯纳米带作为有害气体分子传感器的选择吸附性质采用第一性原理研究了氢钝化ZPNR作为NH3、CH4、CCl4和SO3四种有害气体分子传感器的选择性吸附性质.结果表明SO3和CCl4两种气体分子倾向吸附在氢钝化ZPNR的顶位,而NH3和CH4两种气体分子倾向吸附在空位.SO3气体分子吸附能和电荷转移量较其它三种有害气体分子中最大.此外,我们还发现氢钝化ZPNR吸附CH3、CH4和CCl4分子后能带结构无明显变化,而SO3分子的吸附可以在带隙中诱导产生一个新的能带,使带隙明显减小.这表明氢钝化ZPNR具有很强的吸附选择性.（4）氢钝化ZPNR对SO3气体分子吸附的高敏感和选择性我们从理论上详细研究了氢钝化ZPNR对三种含硫有害气体分子SO3、SO2和H2S吸附性质.通过计算不同位置的总能量、吸附能和Mulliken电荷转移来研究SO3、SO2和H2S有害气体分子在氢钝化ZPNR上的吸附性能,所有的气体分子在氢钝化ZPNR上均表现出物理吸附.结果表明氢钝化ZPNR对SO3气体分子吸附有较大的吸附能和电荷转移量.此外,吸附SO3改变了氢钝化ZPNR费米能级附近的态密度.电流-电压曲线表明氢钝化ZPNR吸附SO3后电导率明显提高,对SO3吸附具有高的灵敏度和选择性.因此,研究结果对氢钝化ZPNR在检测SO3气体的潜在应用提供了理论依据.
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