石墨烯/六角氮化硼异质界面效应的第一性原理研究

The interfaces in the heterostructure composed of different semiconductors or metal and semiconductor have important influence on the electronic and photoelectric properties of the devices, which is one of the essential problems in designing semiconductor devices. The studies on the two-dimensional atomic thickness materials mainly focused on the domain size and components density effections. However, the effect of interface details on the electronic and mechanics properties has been neglected largely. Actually, the interface between the different components plays an important role in the future two-dimensional integrated circuits and devices. Thus, we carry out the first-principle studies on the thermodynamics stability of different interface of graphene/h-BN heterostructure, and then, investigate the interface effects on the electronic structure, transport and mechanics properties. Finally, we try to build the initial physics picture of the one-dimensional interface in two-dimensional atomic thickness materials from that of the two-dimensional interface in the body materials. The present project is supposed to provide the theoretical guidance to experimental studies and future design of two-dimensional heterostructure materials based photoelectric device.

不同的半导体之间以及金属和半导体之间形成的异质接触界面，对器件的电学和光电性质有重要的影响，是半导体器件设计必须考虑的重要问题之一。目前在二维原子薄膜异质材料的有关性质的探讨中，研究多局限于二维材料各成分的尺寸和浓度效应，而界面结构细节对于材料的电学和力学性质影响的研究则较为欠缺。事实上，在将来二维原子薄膜电路和器件中，各成分之间的异质界面对体系性质有非常重要的影响。因此，我们通过第一性原理方法，将从设计二维原子薄膜材料石墨烯/六角氮化硼不同的异质界面出发,研究缺陷存在时异质界面的热力学稳定性,以及对材料电子结构、力学与输运性质的影响。在此基础上，结合已有的二维材料中同质界面效应认识，初步建立从三维材料中二维界面的电子气模型向二维材料中一维界面转换的物理图像。通过本项目研究，为二维异质材料的实验研究提供理论指导，为基于二维材料的光电器件设计提供切实的理论支持。

以石墨烯(graphene)为代表的二维薄膜材料（比如六角氮化硼(hBN)，过渡金属硫族化合物等），有优异的物理化学性质和极大的应用前景，受到人们近年来的极大关注。石墨烯和hBN的面内结合异质结（graphnee/hBN, G/BN），克服自身的一些缺点(比如零带隙的石墨烯导致的低开关比)的同时，还可以在更大范围内调节其物理化学性质，在二维集成电路、场效应管以及闭合回路共振器等方面有很大的潜在应用价值。自从2010年(2010，Nat. Mater.)成功合成G/BN开始，无论是实验还是理论上，人们在都表示了极大的关注，特别是界面在二维面内异质结中的作用。.以G/BN为主，展开了如下研究：（1）缺陷界面结构稳定性和电子结构。引入Clar规则，考察了G/BN的最稳定界面的原子和电子结构。（2）界面对材料力学性质的影响。纯石墨烯和h-BN 都是具有优越力学性质的二维材料，考察不同的界面对材料力学性质的影响。（3）考察二维异质结和三维异质结构不同的肖特基势垒物理图像。.目前研究取得了系列成果，重要成果有如下三点：（1）基于Clar规则，构建了一系列具有较低的形成能和半导体性质的稳定界面结构。纠正了之前扶手椅型界面具有半导体性质而剪刀型界面具有金属性质的错误预言。（2）界面对材料力学性质的影响。发现了G/BN力学强度对界面晶向偏转角的依赖，发现体系的电子性质随着力学应力的变化对界面的依赖。（3）发现由于大量真空存在导致的弱屏蔽，以及二维异质结中界面导致的线电荷分布随距离的衰减，金属/半导体二维异质结中的肖特基势垒高度随着远离界面而降低并最终趋于肖特基-莫特极限（对于半导体/半导体二维异质结来说为安德森极限）这一和三维异质结完全不同的新奇物理图像。.以上发现，对于澄清界面在G/BN中的电子和输运性质中的作用，以及对于基于二维材料的场效应管中的肖特基势垒物理图像有重要的理论参考价值。.通过本项目的研究，在国际 SCI 期刊发表相关学术论文7篇，三篇发表于影响因子大于9.0的SCI一区期刊，培养硕士研究生2名，参加各类国内外学术会议9次。