过渡金属二硫族化合物二维材料的性能预测与相关纳米器件设计

Since the discovery of graphene, research on new types of 2D materials attracted a great deal of attention of researchers. In the exploration of 2D materials with optimized properties, transition metal dichalcogenides (TMDCs) were found to be a kind of 2d materials with rich morphologies and adjustable properties, and have profound application potential in electric, optoelectric, sensing and electromechanical devices. This program employs multiscale theoretical methods with combined first principle’s calculation, semi-empirical method and semiconductor theory to simulate electronic structure, electronic properties of various kinds of TMDCs in order to find fundamental physical properties of TMDCs, and reveal the relationship between the group of transition metal elements and physical properties; carry out in-depth studies on some TMDCs with important application potential, explore the influence of the type and concentration of the dopants and defects on the semiconductor properties which serves as the basis of device design; study the change of polarization and conductivity of some selected TMDCs with strain，and obtain their piezoresistance and piezoelectric properties; based on the materials properties obtained above, design some new kinds of nanoelectronic devices with optimized performance. This program will enrich our knowledge about TMDCs and obtain a large amount of data on this kinds of materials, which will promote the research and development of related nanodevices.

自石墨烯发现以来，对于新型二维材料的研究引起了研究人员的极大兴趣。在探索高性能二维材料的过程中，发现过渡金属二硫族化合物（TMDCs）是一类结构丰富多样、性能大幅可调的二维材料，在电子、光电、传感、力电器件方面有重要的应用前景。本项目拟采用第一性原理计算、半经验方法和半导体理论相结合的多尺度理论研究方法，对多种TMDCs二维材料的电子结构、电输运性能等进行模拟，得到其基本物理性能，并总结出过渡金属元素与物理性能之间的对应关系；对几中有重要应用前景的TMDCs二维材料进行深入研究，探索掺杂元素和缺陷的类型与浓度对其半导体性能的影响，为器件设计提供基础；研究选取的TMDCs的极化强度与导电性随应变的变化，获得二维材料的压电组和压电性能；根据前面的研究获得大量材料性能，设计出新型、高效纳米电子器件。本项目的研究能够加深对TMDCs二维材料的认识，获得这类材料的大量性能数据，推动相关器件的研发。

在低维材料的研究中，TMDCs及相关器件具有重要的应用前景。本项目对TMDCs二维异质结的电子结构、电输运性能和MX二维材料的压电性能进行模拟；研究电场及应变对二维异质结电子结构的影响；模拟纳电子器件的性能，提出器件性能优化的方法；在实验中制备相关材料及纳米器件。.获得主要研究成果如下：.（1）.GeC/WS2和AlN/MoS2异质结构是典型的直接带隙Ⅱ-型范德华异质半导体，适合于光电器件的应用；蓝磷/MoX2（X=S、Se）和砷烯/SiC异质结是间接带隙半导体；.（2）.MX(M=Ge、Sn，X=S、Se)二维材料具有很高的压电系数（d11），是有重要的应用前景的压电材料；在超过5%应变情况下，必须计入高阶压电系数；.（3）.施加外电场能够导致异质结中各层电势的变化，从而调控GeC/WS2异质结构的能带结构，实现直接~间接带隙、半导体~导体之间的转变；.（4）.外加双轴应变可以导致异质结带边位置的漂移，从而调控其能带结构，实现直接~间接带隙、半导体到导体之间的转变；带边态在空间的分布决定了其在应变下的漂移趋势；.（5）.实现了纳电子器件性能模拟的方法，并对MSM型肖特基二极管和MIS型隧道二极管进行了模拟，得到了掺杂浓度、形变等对其性能的影响；提出了MgO间隔层大幅度提高其开关比的机制；.（6）.由GeC/WS2和砷烯/SiC异质结构成的双电极系统具有整流特征，而AlN/MoS2和蓝磷（BP）/MoX2（X=S、Se）异质结构成的双电极系统是良导体；在砷烯/SiC异质结构成FET原型器件中，棚极电压能有效调节源漏极电流；.（7）.制备SnSe纳米片，并构建了光电晶体管；通过优化制备工艺，获得了优良性能的光电器件；.本项目的研究加深了对TMDCs二维材料及相关器件的认识，获得调控材料性能以及器件性能的方法，初步建立了器件性能模拟的方法，能够推动相关材料与器件的研发。