新型二維及量子點材料電子與光學性質的理論研究.pdf

1、石墨烯、磷烯等超薄二維材料及相應的量子點結構具有豐富的物理化學性質，在電子與光電子領域展現(xiàn)了廣泛的應用前景，引起了人們的格外關注。在這些低維納米材料的制備和應用過程中，我們需要對其性質進行調節(jié)控制以滿足具體的需求，如:通過改變尺寸的大小、摻雜、表面修飾以及材料復合等等。同時，在合成過程中產生的各種缺陷對其性質也會產生影響。為了清晰地理解這些因素對材料電子結構和光學性質的影響，基于密度泛函或含時密度泛函理論，結合多體理論，我們對石墨烯和黑

2、磷量子點、氧化鋅/藍磷異質結及砷烯基復合材料的電子結構和光學性質進行了系統(tǒng)研究，主要研究內容如下:
　　1)氮摻雜石墨烯量子點光吸收與發(fā)射機制研究。氮摻雜能夠調節(jié)石墨烯量子點熒光波長，增加光穩(wěn)定性以及提高量子產率，具有良好的應用前景。但是，氮摻雜對石墨烯量子點光吸收和發(fā)射的影響機制一直存在爭議。我們的研究表明，不同種類和位置的氮摻雜導致石墨烯量子點具有不同的吸收和發(fā)射特性:中心氮摻雜在石墨烯量子點帶隙中引入中間態(tài)，導致石墨烯量子點

3、熒光湮滅;邊界氮摻雜可以調節(jié)石墨烯量子點的激發(fā)態(tài)能級位置，引起光譜紅移或藍移，同時增強熒光發(fā)射強度，提高量子產率。光譜的藍移紅移與石墨烯量子點和摻雜氮前線軌道之間的雜化密切相關:雜化均勻往往導致光譜藍移;反之，光譜紅移。我們的理論首次清晰地闡明了氮摻雜實驗中的各種爭議。我們還揭示了溶劑效應對量子點光學性質的影響，極性強的溶液導致光譜紅移，同時增強量子點的吸收發(fā)射強度。
　　2)黑磷量子點光學性質的反常尺寸效應。理解黑磷納米結構的電

4、子躍遷性質對其在電子和光電子器件的應用是至關重要的。采用含時密度泛函理論方法，我們系統(tǒng)地研究了黑磷量子點在電子結構、光吸收和光發(fā)射方面的尺寸效應。黑磷量子點電子帶隙和吸收帶隙是正常的量子尺寸效應，即:尺寸越大，帶隙越小，尺寸與帶隙成負相關關系。但對于光學發(fā)射帶隙，我們觀察到了反常的尺寸效應:當尺寸從0.8nm到1.8nm時，光發(fā)射帶隙逐漸增大，當尺寸大于1.8nm時，光發(fā)射帶隙顯示出減小的趨勢。這種反常發(fā)射現(xiàn)象源于激發(fā)態(tài)結構遲豫導致結構

5、畸變，進而減小了帶隙;且尺寸越小，畸變就越顯著。結構畸變和量子尺寸效應的競爭作用最終導致了反常光發(fā)射現(xiàn)象。
　　3)黑磷量子點對點缺陷和氧缺陷的光吸收容忍性。黑磷量子點具有極好的光學性質，在生物醫(yī)學及光電子器件方面具有潛在應用價值。黑磷量子點在制備過程中，不可避免地會引入各種各樣的點缺陷，同時，黑磷在空氣環(huán)境中也很容易被氧化進而引入氧缺陷。目前，這些缺陷對黑磷量子點電子和光學性質的影響還不清楚。針對這一問題，我們采用含時密度泛函理

6、論方法，系統(tǒng)地研究了點缺陷和氧缺陷對黑磷量子點電子和光學性質的影響。結果表明，無論是點缺陷還是氧缺陷，都存在兩種情況:(1)對于缺陷位磷原子的配位數(shù)為3的類型，黑磷量子點具有極好的光吸收容忍性;(2)對于缺陷位磷原子的配位數(shù)不為3的，無論是是大于還是小于3，黑磷量子點帶隙中都出現(xiàn)了中間態(tài)，導致黑磷量子點光吸收通道的堵塞，吸光能力銳減。有趣的是，對于這種情況，我們采用氫氣充分鈍化，可使黑磷量子點的光吸收性質得到恢復。因此，黑磷量子點具有很

7、好的光吸收容忍性。
　　4)氧化鋅/藍磷異質結:優(yōu)異的光生電子空穴對分離效率。載流子分離對于光電器件的應用至關重要。在單一半導體材料中，因為光生電子空穴的波函數(shù)交疊，電子空穴對很容易復合。通過設計第二類帶邊結構的復合材料，能有效地解決這一問題。基于第一性原理計算，我們設計了氧化鋅/藍磷異質結，該結構不但具有第二類異質結帶邊結構，而且兩種材料之間存在促進電子空穴分離的內建電場。這些因素極大地促進了光生電荷從氧化鋅層轉移到藍磷層，顯著

8、增加了電子空穴對的分離效率。相比于它們單一的材料，異質結的光吸收能力也得到了增強。而且，通過施加垂直電場，異質結能夠從間接帶隙轉化成直接帶隙，這也將進一步促進光生電荷的轉移。
　　5)高效的光伏和光催化雙功能材料:砷烯基異質結。砷烯，具有合適的帶隙，高的載流子遷移率和優(yōu)異的光學性質，在光伏與光催化領域具有潛在的應用。然而，砷烯在大氣環(huán)境中的穩(wěn)定性，精確的帶邊位置及光生電子和空穴的分離效率仍沒有得到系統(tǒng)研究。采用多體微擾GW方法結合