基于第一性原理的硫化钨电子结构研究

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以硅作为沟道材料的电子器件在逐渐缩小尺寸时出现瓶颈,寻找新材料成为当代微电子领域发展的重要方向之一。过渡金属二硫化物家族中的硫化钨由于其层状结构容易制备以及载流子有效质量小等优点引起了人们的广泛关注。应力、层数以及钝化等因素对硫化钨的电学特性的影响是研究二维和一维硫化钨材料时,不能忽略的部分。  第一性原理方法在分析新材料的电子结构和对材料进行优化等方面发挥着重要的作用。本文利用第一性原理中的密度泛函理论计算了不同参数对硫化钨材料的影响。为实验上实现高性能的硫化钨电子器件提供理论支持。本文的主要研究工作和取得的创新性成果包括:  1、分析了层数对二维硫化钨的能带结构以及堆叠方式对双层硫化钨的电子结构的影响。研究发现,随着层数的减小,二维硫化钨材料的禁带宽度不断增大,并且发现多层硫化钨是间接禁带半导体而单层硫化钨呈现出直接禁带的特性。本文研究了AA和AB型两种堆叠方式的双层硫化钨的电子结构,结果表明,AA型的硫化钨有更大的禁带宽度和更少的层间相互作用。  2、计算了单轴应力和双轴应力对AA和AB两种堆叠方式的双层硫化钨的电子结构影响。研究发现拉应力会减小双层硫化钨的禁带宽度和载流子的有效质量。而压应力会先增加然后减小双层硫化钨的禁带宽度。本文从带分解的电荷密度(Band decomposed charge density也称Partial charge density)和投影态密度(Partial density of states,PDOS)的角度引入了反映原子不同轨道投影态密度相互作用的新参数N,分析了应力对双层硫化钨的调节机制。  3、计算了宽度对扶手型单层硫化钨纳米带的电子结构的影响。研究发现,超窄的硫化物的纳米带会呈现出间接禁带的特性,而宽度大于N=5的单层扶手型硫化钨纳米带是直接禁带半导体。  4、对比了不同钝化方式对单层扶手型硫化钨纳米带的电子结构的影响。研究了加氢原子和加硫氢原子两种钝化方式对超窄的扶手型硫化钨纳米带的能带结构和电子密度的影响。首先加氢钝化会使得单层硫化钨纳米带的结构更加稳定,会使得N=5的扶手型硫化钨纳米带从间接禁带变成直接禁带半导体。而加硫氢原子的钝化方式会使得所有的扶手型纳米带的价带顶的位置变化到Z点,并且增大能量极值处的曲率有利于增大载流子的迁移率。  5、计算了水平压应力对扶手型硫化钨纳米带的电子结构的影响。结果表明足够大的压应力会使得超窄的硫化钨纳米带从间接禁带半导体变成直接禁带半导体。但是纳米带的宽度越小需要的压应力越大,这就会增加工艺难度和对纳米带的几何结构的破坏性。
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