低维黑磷/类黑磷纳米材料的半导体及光电性质调控的计算模拟研究

Photoelectric materials possess great application value in many fields, like environment, military, science and technology. This project would investigate the effect of different modification methods on the semiconducting and photoelectric properties of black phosphorus and black phosphorus-like nanomaterials by density functional theory. The modified nanosheets, nanoribbons and nanotubes of black phosphorus and IV-VI group (like SnSe, SnS, GeSn, GeS et al) are the objects of study. The modification methods are chemical modification, constructing heterojunction, doping different elements and introducing defects. The effects of different modification methods could be understood by calculating the band structure and light absorption properties. Charge density, density of states would also be investigated for revealing the mechanism of the effect of different modification methods on the photoelectric properties and exploring the general method. The strain and electric field could be applied on the modified nanomaterials for further controlling the electronic properties. Eventually, the purpose of this project is providing the theory basis for the research and application of low dimensional black phosphorus and black phosphorus-like nanomaterials and giving the guidance on experimental direction.

光电材料在环境、军事、科技等领域中有着非常高的应用价值。本项目拟利用密度泛函方法研究不同的改性手段对低维黑磷/类黑磷纳米材料半导体及光电性质的调控作用。主要的研究对象为改性后的黑磷及SnSe、SnS、GeSn、GeS等IV-VI 族纳米片/带/管。拟用于建模的改性手段为化学修饰、构建异质结、掺杂不同种类元素、引入缺陷等。通过计算能带结构及光吸收等性质，了解性能调控的效果；计算电荷密度、态密度，揭示不同改性手段对这一类材料的影响机理，探索通用而有效的调控手段。对改性后的材料施加应力、外加电场等条件以改变其电子性质，达到进一步的调控目的。最终为低维黑磷及类黑磷纳米材料的研究应用提供理论依据，并对实验方向提供指导。

光电材料在科技、能源、环境等领域中有着非常高的应用价值，比如制作电子器件、太阳能电池等。IV-VI主族类黑磷低维纳米材料是一类具有优良光电性能的纳米材料。本项目通过计算模拟手段构建了新型的IV-VI主族二维结构，并在此基础上研究了调节IV-VI主族二维材料的有效方法。首先，项目构建了四种新型的IV-VI主族二维结构，即GeO、GeS、SnO和SnS二维材料。四种材料的声子谱中没有虚频，证明了它们的稳定性。通过HSE06方法的计算，发现四种材料是半导体或绝缘体。通过组成双层结构，四种材料的能带间隙发生了不同程度的下降。其中SnO-SnO、GeS-GeS和SnS-SnS材料在可见光范围内有明显的吸收。其次，应用合金化的方法研究了GeS和GeSe二维合金的性能。GeS1-xSex二维结构在理论上具有稳定性，随着x的增加，二维合金的能带间隙在GeS和GeSe之间过渡。当合金中S比较多时，能带间隙更接近于GeS，对可见光的吸收并不明显。但当合金中Se的成分较多时，能带间隙更接近GeSe，对可见光的吸收能力也较强。最后，本项目构建了三种新型SiP二维结构，通过声子谱和AIMD的计算，证明了这一类结构的动力学及热力学稳定性。能带结构计算表明这些都是间接带隙半导体。与此同时，在pH=0的条件下，这些材料的带隙跨越了水的氧化还原电位，说明是光解水的潜力材料。依托本项目，项目组研究了新型类黑磷二维纳米材料的结构稳定性，电子性质及光吸收能力，确定了构建双层结构，合金化等有效的调节IV-VI主族二维材料半导体及光电性质的方法。发表SCI论文4篇，基本完成拟定任务。