有机分子吸附对硅烯电学性能的调制

The extremely high carrier mobility and compatibility with the existing electronics industry make silicene a promising material as the channel for high-performance field effect transistors. The absence of a bandgap and thus cannot be switched off effectively, consequently, it is desirable to opening a sizeable band gap without degrading its high carrier mobility. This work intends to propose an innovative method of organic molecule adsorption to reach this requirement. Based on first principle calculations, the silicene doped with organic molecules will be studied, and then substrate and defect effects to the structural and electronic properties will be further investigated. The success of this work will make a significant contribution to the rational design and tuning their band gaps for field effect transistors.

硅烯的载流子迁移率非常高，并且其能够与现有硅基技术相兼容，因此硅烯是高性能场效应晶体管沟道材料的备选材料。针对硅烯的能隙为零从而在使用时不能有效关闭的问题，我们希望打开能隙的同时保持其高速的载流子迁移率。本项目拟提出有机分子掺杂达到上述要求。基于第一原理计算，本项目旨在研究有机分子掺杂硅烯体系，进一步探索基底和空位缺陷对体系的结构和电学性能的协同作用。通过对体系的微观电子结构与宏观电学性能之间物理规律的探索，为合理设计基于硅烯的场效应晶体管提供理论依据，为硅烯的大规模商业应用提供基础。

自从石墨烯制备以来，低维材料受到人们的广泛关注。由于硅烯具有较高的载流子迁移率，并且能够与现有的硅基技术相兼容，本项目使用第一原理密度泛函理论计算了TTF分子和氢化硅烯基底对硅烯的协同作用，解决了硅烯的能隙为零从而不能够用于开关设备的难题，复合体系打开的能隙值足以使其用在室温电子设备中。接着，我们计算了DMC分子吸附在硅烯表面，体系打开能隙的同时，结构为n-型掺杂。我们计算了常见的TTF、DCNQ分子吸附在砷烯表面，施加了少量的拉应力之后，分别形成有效的n-型和p-型掺杂，从而构建基于砷烯的p-n结。此外，我们计算了硅-空位的二维和体金刚石以及氮替位、磷替位金刚石的结构和电学性能，揭示掺杂能级和结构、电子局域分布函数的关系。将纳米金刚石用于锂离子电池负极，有效提高了锂离子电池的性能，扩展了纳米金刚石的应用。本项目的实施中，以第一/通讯作者发表SCI论文7篇。本项目的完成，加深了对掺杂能级的位置和结构、应力关系的理解，对掺杂体系的研究提供理论依据，以及对扩展纳米金刚石的研究提供实验数据。