黑、蓝磷低维纳米结构异质结的设计、机理与新奇量子现象的研究

Black and blue phosphorene low-dimensional nanostructure materials are new generation of optoelectronic devices function component, and has wide application in field effect transistor, photoelectric devices and solar cells etc.. The theoretical calculation and experimental are used to research the project for black and blue phosphorene low-dimensional nanostructures. (1) The optical, electrical, magnetic properties are studied on black and blue phosphorene nanosheet /nanoribbon/ nanotube. The influence of defects, interfaces, size, doping and adsorption various atoms, small molecules and heavy metal particles and other factors on the electronic structure are explored. The relationship between changes in the structure and photoelectric properties are studied, and physical laws of the optical, electrical, magnetic properties of low- dimensional nanostructures black and blue phosphorene are revealed. (2) The quantum phenomena in low-dimensional nanostructures of black and blue phosphorene are studied. The topological properties are studied by applied field, strain. The mechanism of quantum spin Hall effects are clarified. (3) The growth mechanism of black and blue phosphorene nanostructure materials in different semiconductor materials are studied, the heterojunction mechanism of different nanostructures are explored. (4) The feasibility of nanodevices are explored. The electron transport mechanism are studied under different conditions of adsorption, doping, defect. The devices of optical, electrical, magnetic properties are investigated at different substrate and structure. It has important meaning to study the project for novel nano electronic devices.

黑、蓝磷低维纳米结构材料是新一代光电子器件的功能组元，在场效应晶体管、光电器件和太阳能电池等方面具有广阔的应用前景。本项目针对黑、蓝磷低维纳米结构，拟采用第一性原理分子动力学和实验两方面进行研究：（1）研究黑、蓝磷纳米片/带/管的光电磁性能，探讨缺陷、界面、尺寸、掺杂以及吸附各种原子、小分子、重金属颗粒等因素对其电子结构的影响，研究结构变化与光电性能的关系，揭示低维纳米结构黑、蓝磷光电磁性能的物理规律。 （2）研究黑、蓝磷低维纳米结构下的量子现象，通过外加电场、应变等不同条件，研究其拓扑性质，阐述量子自旋霍尔效应机理。（3）研究黑、蓝磷纳米结构材料在不同半导体材料下的生长机理，探索不同纳米结构形成异质结的机理。（4）探索纳电子器件单元的可行性，研究掺杂、吸附、缺陷等不同条件下电子输运的机理，探讨不同衬底和不同结构下器件的光电磁性能。本项目的研究对新型纳米电子器件的应用具有重要意义。

项目开展了低维黑、蓝磷纳米结构的设计、机理与量子现象的研究，取得了一系列的成果： .1. 研究了1~4层蓝磷纳米材料的电子结构和光学性能，发现多层蓝磷均是间接带隙半导体，随着层数的增加多层蓝磷的带隙逐渐变小，当多层蓝磷施加双轴拉伸压力时，随着应力的增大带隙逐渐减小，实现了电子结构的微观调控；.2. 构建了三种不同构型的蓝磷与氧化锌单层异质结，研究发现hollow、O和Zn-构型三种异质结构均为间接半导体，通过应力和电场调控了三种异质结构的带隙，实现了应力和电场调控异质结；.3. 研究了非金属掺杂单层蓝磷的能带和光学性质，发现掺杂B、N原子时单层蓝磷的带隙减小，掺杂C、O原子单层蓝磷具有轻微磁性，S原子掺杂没有诱导出体系的磁性；.4. 研究了尺寸、掺杂对黑磷纳米管的电子特性影响，发现随着尺寸的不断增大带隙逐步减小，B和C掺杂对黑磷纳米管费米能级附近的电子态贡献显著，而N和O掺杂物的贡献相对较小；同时还开展了掺杂对黑磷纳米结构性能的影响的研究；.5. 开展了V族元素的量子性能研究，发现氢化二维六角砷烯BiXH（X=OH，SH）具有量子霍尔效应和拓扑性，氟化甲基官能化的二维双铋Bi2C2H6-xFx材料是铁电和谷极化共存的二维拓扑绝缘体。.6. 研究了IV族元素中的硅烯、锗烯、铅烯的量子效应和拓扑性能，二维哑铃状的锡烯在自旋轨道耦合作用下GeX(X=F、OH)在没有外部应力时为拓扑绝缘体材料，甲基修饰下的氮化硼衬底下生长的SiCH3保持着其良好的拓扑特性；.7. 研究了IV族、V族元素的化合物如二维SeTe、Si2Te2、PbPo、二维锗基氧化物GeO2、二维磷基化合物SnxPy等纳米结构的性能，发现非中心对称SeTe单层作为具有Rashba SOC和带拓扑的二维材料；PbPo是一种受晶体对称保护的二维拓扑晶体绝缘体，其拓扑性质来源于强的晶体场效应；. 本项目给出了很有价值的研究结果，对新型纳米电子器件的具有重要意义。