【摘 要】
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黑磷具备可调的直接带隙以及较高的载流子迁移率,弥补了石墨烯和过渡金属硫化物的不足,受到研究者的广泛关注。然而,黑磷在自然环境中却因易降解而限制了其在某些领域的应用。金属原子吸附是在不破坏黑磷固有优异性能的情况下,实现黑磷环境热稳定的最有效策略。过渡金属Fe原子吸附在黑磷表面,不仅可以有效提高黑磷的环境稳定性,同时也进一步丰富了黑磷的电子性质,而通过施加应变可以进一步调控吸附体系的电子结构。基于稳定
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黑磷具备可调的直接带隙以及较高的载流子迁移率,弥补了石墨烯和过渡金属硫化物的不足,受到研究者的广泛关注。然而,黑磷在自然环境中却因易降解而限制了其在某些领域的应用。金属原子吸附是在不破坏黑磷固有优异性能的情况下,实现黑磷环境热稳定的最有效策略。过渡金属Fe原子吸附在黑磷表面,不仅可以有效提高黑磷的环境稳定性,同时也进一步丰富了黑磷的电子性质,而通过施加应变可以进一步调控吸附体系的电子结构。基于稳定Fe@BP体系的气体传感器具有更优的气敏特性,将成为一种具有高灵敏度和辨识度气体传感器的候选材料。利用第一性原理计算方法,本文研究了Fe原子吸附BP的应变调控效应及其在气体传感器方面潜在的应用,主要内容如下:1、构建了过渡金属Fe原子吸附单层BP的结构模型,并研究了吸附体系的电子特性。通过施加双轴拉伸和压缩应变,探究了Fe@BP体系电子性质的应变效应。研究表明,Fe原子的引入减小了BP的带隙值,并且吸附体系成为间接带隙半导体。此外,由于吸附体系价带底低于氧化还原势,从而BP的环境稳定性得以改善。双轴压缩应变降低了系统的带隙值,当应变达到-8%时,发生半导体-金属过渡;拉伸应变使Fe@BP体系的带隙在0.96 e V到0.60 e V之间变化,当拉伸应变为4%时,带隙转变为直接带隙。该部分研究内容为基于环境稳定性和电子性质可调的单层BP纳米器件提供了一定的指导和支撑。2、考虑到二维BP在检测气体分子方面的优势,探索了基于Fe@BP材料的气体传感器的气敏特性表现,同原始的单层BP作比较,发现过渡金属Fe原子的吸附,改变了BP对气体分子的吸附能,电荷转移以及体系的电子性质,影响了电阻率的变化,从而表现为基于BP的气体传感器的灵敏度的增强。本部分内容还研究了Fe@BP体系在应变调控下的气敏特性及电子性质变化,结果表明其对应变表现出较高的依赖性,并且不同的气体分子有不同的变化趋势。随着压缩应变的不断增大,所有气体分子吸附体系对应的带隙值都不断减小。当压缩应变达到-6%时,NO2与NO吸附体系皆由于导带底穿过费米能级的原因表现为金属性质,而CO吸附体系仍保持半导体性质。另外,对于NO吸附的体系,当施加的压缩应变达到-5%时,体系原来由磁性原子引入的自旋极化能级发生重合,即体系的自旋性质关闭。本部分的研究成果有望为基于Fe@BP的具有高灵敏度以及辨识度的应变依赖型气体传感器提供研究思路与理论支持。
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