半导体量子点-二维碳氮纳米结构电子输运理论研究

The energy bands and electronic structures of two-dimensional carbon-nitrogen nanostructures can be modulated by adjusting the proportion and distribution of nitrogen atoms in nitrogen-hybrid graphene, which has potential to be a good carrier for the applications of semiconductor quantum dot device. Few theoretical and experimental researches on the hybrid structure of semiconductor quantum dots and two-dimensional carbon-nitrogen nanostructures have been carried out. Taking first-principles, molecular dynamics and electronic transport theory method,the effect of atom proportion and distribution in the two-dimensional carbon-nitrogen nanostructures on the electronic structure and transport properties will be firstly discussed. The single-element semiconductor quantum dots Si and compound semiconductor quantum dot CdS will be taken to study the dynamic process, contact effects and mechanism of the hybrid structures. Based on these results, the effects of quantum dots size, shape and location distribution on the electronic transport are further discussed. Through the systematic studies, the coupling rule between the semiconductor quantum dots and the two-dimensional carbon-nitrogen nanostructures will be explored, aiming to establish the application model for semiconductor quantum dots and two-dimensional carbon-nitrogen nanostructures devices. The project will provide a theoretical basis and experimental guidance for the design and development of new device applications of new quantum dots devices.

二维碳氮纳米结构可通过调整碳氮原子比例及分布实现能带与电子结构调控，将给半导体量子点器件化应用提供良好的载体。然而，目前尚无半导体量子点-二维碳氮纳米结构理论与实验相关研究。本项目拟采用第一性原理计算、分子动力学及电子输运理论方法，首先系统研究二维碳氮纳米结构中原子比例及分布对其电子结构和输运特性的影响；以典型单元素半导体Si量子点及化合物半导体CdS量子点为例，研究半导体量子点-二维碳氮纳米结构形成的动力学过程、接触效应及作用机制。在此基础上,分别选用金属性和半导体性二维碳氮纳米结构作为载体，研究量子点的大小、形状、位置分布及掺杂对其电子输运行为的影响。通过系统研究，探索半导体量子点与二维碳氮纳米结构电子输运的耦合与调制规律，建立起能应用于半导体量子点-二维碳氮纳米结构器件设计的电学预测模型。本项目的完成将为设计和发展新型量子点器件提供理论基础与实验指导。

伴随着石墨烯等二维结构实验研究的不断突破和发展，基于掺杂和结构复合的二维体系的理论研究也引起了人们极大的关注与热情。通过掺杂和缺陷工程等手段不仅能对二维体系的电子结构和输运特性和进行调控，发掘其丰富的光电特性，还可为半导体量子点器件化应用提供良好的载体。本项目首先采用第一性原理计算、分子动力学及电子输运理论方法，系统的研究了氮、硅等作为掺杂物与石墨烯形成二维纳米结构的电子结构及输运性质，并研究了形貌、空位、吸附作用对其电学、热学性质的影响。在此基础上，研究了Si/graphene/MoS2/CdS等量子点的结构和电子特性以及量子点-石墨烯/类石墨烯复合体系、二维异质结构的相关性质，包括掺杂和复合的动力学过程、体系的结构稳定性及其电学、热学等性质。研究了类石墨烯二维结构磷烯及其异质结的电子结构以及锂离子的吸附和扩散性质。另外，也对薄膜拓扑绝缘体硒化铋和碲化铋中表面和基底的诱导效应以及表面和量子阱态的电子调控进行了研究。同时，在理论研究的基础上，拓展了一定的实验工作，制备了半导体金属硫化物/二氧化钛-石墨烯等片层复合材料，并研究了其电学性质。项目的完成可为新型量子点器件的设计和发展、二维层状复合体系的应用提供理论基础和实验指导。在本项目的资助下，在Appl.Phys.Lett. Phys.Rev.B、J.Phys.Chem.Lett.、J. Mater. Chem.A等刊物上发表SCI论文22篇，发表的文章被Nat. Comms, Phys. Rev. Lett.、ACS Nano、Appl.Phys.Lett.、Phys. Rev.B、Nanoscale等杂志多次引用。