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二維半導體物理 版權信息
- ISBN：9787030732460
- 條形碼：9787030732460 ; 978-7-03-073246-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
二維半導體物理 內容簡介
本書論述二維半導體的基本物理原理。偏重于理論，介紹各種二維半導體的電子態、聲子模、光學性質、缺陷態、磁性二維半導體、催化性質、輸運性質以及異質結等各種物理性質和理論計算方法。每一章都介紹本課題組的理論研究工作以及國際有關工作，讓讀者對國際、國內的整體情況有一了解。每一章開始都先介紹三維半導體的有關性質，讓讀者對三維和二維半導體有一個整體的了解，自然地從三維過渡到二維。有一章是二維半導體的"緊束縛描述"。在40年前，緊束縛方法和經驗贗勢方法是研究體半導體電子結構的主要方法。近年來，由于計算機和計算方法的發展，**原理計算逐漸占據統治地位。但緊束縛方法對定性了解二維半導體的電子態和光學性質還是有用的。
二維半導體物理 目錄
目錄
前言
第1章 晶體結構和能帶 1
1.1 氮化硼 1
1.2 黑磷 2
1.3 砷烯和銻烯 3
1.4 MX2（M=Mo，W;X=S，Se） 5
1.5 VX2（X=S，Se和Te） 6
1.6 SnX2（X=S，Se） 8
1.7 MX（M=Sn，Ge;X=S，Se） 9
1.8 ReX2（X=S，Se） 11
1.9 MX（M=B，Al，Ga，In;X=O，S，Se，Te） 13
參考文獻 16
第2章 **性原理計算方法 17
2.1 量子力學理論基礎簡介 17
2.1.1 多粒子體系薛定諤方程 17
2.1.2 Born-Oppenheimer 近似 18
2.1.3 Hartree-Fock近似 18
2.2 密度泛函理論簡介 20
2.3 多體格林函數理論 22
2.3.1 單粒子格林函數 22
2.3.2 Dyson方程 23
2.3.3 Hedin方程 24
2.3.4 GW近似 24
2.3.5 Bethe-Salpeter方程 25
參考文獻 26
第3章 二維半導體結構與聲子譜 28
3.1 晶體振動的一般理論 28
3.2 二維半導體的聲子色散關系 30
3.3 力學性質 33
參考文獻 34
第4章 二維半導體的光學性質 35
4.1 半導體的帶間躍遷 35
4.2 激子效應 38
4.3 MX（M=Sn，Ge;X=S，Se）的光學性質 41
4.4 黑磷多層的光學性質 44
4.5 SnS2和SnSe2二維材料的激子效應 46
4.6 黑磷的激子效應 48
4.7 單層MoS2的發光 49
4.8 α-tellurene的激子態和振蕩強度 53
4.9 二維半導體SnSSe激子效應的理論計算 56
4.10 二維半導體MM′XX′（M，M′=Ga，In;X，X′=S，Se，Te） 激子效應的理論計算 59
參考文獻 60
第5章 二維半導體中的缺陷態和合金 61
5.1 三維半導體中的雜質和缺陷 61
5.2 研究深能級雜質的集團模型方法 64
5.3 二維半導體雜質缺陷類型 66
5.4 二維半導體雜質缺陷態結合能的**性原理計算 69
5.5 二維半導體中的雜質缺陷態 70
5.6 單層過渡金屬硫化物的缺陷態 72
5.7 單層MX2中的其他缺陷 74
5.8 Mo1.xWxS2單層合金的能帶和發光性質 77
5.9 WS2xSe2.2x（x=0～1）合金二維半導體及器件 79
參考文獻 81
第6章 二維半導體能帶的緊束縛表述 83
6.1 三維半導體的鍵軌道理論和緊束縛方法 83
6.2 六角氮化硼（h-BN）單層能帶的緊束縛計算 89
6.2.1 二維BN的原子結構 90
6.2.2 緊束縛能帶論 91
6.2.3 計算結果 93
6.2.4 光學性質的定性討論 95
6.3 二維砷烯能帶的緊束縛計算 96
6.3.1 原子結構 97
6.3.2 緊束縛計算 98
6.3.3 參數的調節 100
6.3.4 光學性質的簡單分析 100
6.4 黑磷的緊束縛理論 101
6.4.1 黑磷的原子結構 101
6.4.2 二維黑磷的緊束縛矩陣元 103
6.4.3 緊束縛參數的調節 106
6.4.4 光學性質討論 107
6.5 二維SnS2的緊束縛理論 107
6.5.1 原子結構和布里淵區 109
6.5.2 緊束縛矩陣元 110
6.5.3 能帶計算結果 110
6.5.4 波函數 111
6.6 MoS2的緊束縛理論 113
6.6.1 原子結構和布里淵區 113
6.6.2 緊束縛矩陣元 114
6.6.3 緊束縛參數的確定 116
6.6.4 二維MoS2的能帶 118
參考文獻 119
第7章 二維半導體的輸運性質 120
7.1 三維半導體的線性輸運性質 120
7.2 **性原理量子輸運理論 123
7.3 MX2的輸運理論 125
7.4 黑磷的輸運性質 129
7.5 MX（M=Ge，Sn;X=S，Se）的輸運性質 130
7.6 二維半導體的輸運性質的特點 131
7.7 二維半導體的場效應晶體管 132
7.8 黑磷的場效應晶體管 134
參考文獻 136
第8章 磁性二維半導體物理和器件 137
8.1 磁性三維半導體 137
8.2 二維范德瓦耳斯晶體的鐵磁性 140
8.3 二維磁半導體Fe3GeTe2 142
8.4 二維磁半導體CrI3 143
8.5 稀磁二維半導體Fe0.02Sn0.98S2 145
8.6 二維室溫鐵磁材料Cr2Te3 148
8.7 異質結構與界面工程 151
8.8 二維磁體的器件應用 152
參考文獻 156
第9章 二維半導體的催化作用 157
9.1 三維半導體TiO2的催化產氫效應 157
9.2 二維TMD的催化產氫作用的一些基本概念 160
9.3 二維半導體的光催化性質 161
9.3.1 邊緣修飾的黑磷烯納米帶的光解水性質 162
9.3.2 WSSe的光催化性質 166
9.3.3 MM′XX′（M，M′=Ga，In;X，X′=S，Se，Te）的光催化性質 169
9.4 增加HER效率的方法 172
9.4.1 相變工程 172
9.4.2 缺陷工程 173
9.4.3 異質原子摻雜工程 177
9.4.4 異質結構工程 181
參考文獻 184
第10章 二維半導體異質結 185
10.1 二維半導體垂直異質結 185
10.2 二維半導體垂直異質結的應用 187
10.3 二維半導體側向異質結 188
10.4 二維半導體側向異質結的應用 190
10.5 雙層MoS2/WS2側向異質結的物理性質 191
10.6 單層MoS2/WS2異質結的制備和物理性質 192
10.7 垂直異質結中的激子 195
10.8 轉角異質結和莫爾激子 197
參考文獻 199
附錄 二維半導體的物理常數 200
《21世紀理論物理及其交叉學科前沿叢書》已出版書目 203
前言
第1章 晶體結構和能帶 1
1.1 氮化硼 1
1.2 黑磷 2
1.3 砷烯和銻烯 3
1.4 MX2（M=Mo，W;X=S，Se） 5
1.5 VX2（X=S，Se和Te） 6
1.6 SnX2（X=S，Se） 8
1.7 MX（M=Sn，Ge;X=S，Se） 9
1.8 ReX2（X=S，Se） 11
1.9 MX（M=B，Al，Ga，In;X=O，S，Se，Te） 13
參考文獻 16
第2章 **性原理計算方法 17
2.1 量子力學理論基礎簡介 17
2.1.1 多粒子體系薛定諤方程 17
2.1.2 Born-Oppenheimer 近似 18
2.1.3 Hartree-Fock近似 18
2.2 密度泛函理論簡介 20
2.3 多體格林函數理論 22
2.3.1 單粒子格林函數 22
2.3.2 Dyson方程 23
2.3.3 Hedin方程 24
2.3.4 GW近似 24
2.3.5 Bethe-Salpeter方程 25
參考文獻 26
第3章 二維半導體結構與聲子譜 28
3.1 晶體振動的一般理論 28
3.2 二維半導體的聲子色散關系 30
3.3 力學性質 33
參考文獻 34
第4章 二維半導體的光學性質 35
4.1 半導體的帶間躍遷 35
4.2 激子效應 38
4.3 MX（M=Sn，Ge;X=S，Se）的光學性質 41
4.4 黑磷多層的光學性質 44
4.5 SnS2和SnSe2二維材料的激子效應 46
4.6 黑磷的激子效應 48
4.7 單層MoS2的發光 49
4.8 α-tellurene的激子態和振蕩強度 53
4.9 二維半導體SnSSe激子效應的理論計算 56
4.10 二維半導體MM′XX′（M，M′=Ga，In;X，X′=S，Se，Te） 激子效應的理論計算 59
參考文獻 60
第5章 二維半導體中的缺陷態和合金 61
5.1 三維半導體中的雜質和缺陷 61
5.2 研究深能級雜質的集團模型方法 64
5.3 二維半導體雜質缺陷類型 66
5.4 二維半導體雜質缺陷態結合能的**性原理計算 69
5.5 二維半導體中的雜質缺陷態 70
5.6 單層過渡金屬硫化物的缺陷態 72
5.7 單層MX2中的其他缺陷 74
5.8 Mo1.xWxS2單層合金的能帶和發光性質 77
5.9 WS2xSe2.2x（x=0～1）合金二維半導體及器件 79
參考文獻 81
第6章 二維半導體能帶的緊束縛表述 83
6.1 三維半導體的鍵軌道理論和緊束縛方法 83
6.2 六角氮化硼（h-BN）單層能帶的緊束縛計算 89
6.2.1 二維BN的原子結構 90
6.2.2 緊束縛能帶論 91
6.2.3 計算結果 93
6.2.4 光學性質的定性討論 95
6.3 二維砷烯能帶的緊束縛計算 96
6.3.1 原子結構 97
6.3.2 緊束縛計算 98
6.3.3 參數的調節 100
6.3.4 光學性質的簡單分析 100
6.4 黑磷的緊束縛理論 101
6.4.1 黑磷的原子結構 101
6.4.2 二維黑磷的緊束縛矩陣元 103
6.4.3 緊束縛參數的調節 106
6.4.4 光學性質討論 107
6.5 二維SnS2的緊束縛理論 107
6.5.1 原子結構和布里淵區 109
6.5.2 緊束縛矩陣元 110
6.5.3 能帶計算結果 110
6.5.4 波函數 111
6.6 MoS2的緊束縛理論 113
6.6.1 原子結構和布里淵區 113
6.6.2 緊束縛矩陣元 114
6.6.3 緊束縛參數的確定 116
6.6.4 二維MoS2的能帶 118
參考文獻 119
第7章 二維半導體的輸運性質 120
7.1 三維半導體的線性輸運性質 120
7.2 **性原理量子輸運理論 123
7.3 MX2的輸運理論 125
7.4 黑磷的輸運性質 129
7.5 MX（M=Ge，Sn;X=S，Se）的輸運性質 130
7.6 二維半導體的輸運性質的特點 131
7.7 二維半導體的場效應晶體管 132
7.8 黑磷的場效應晶體管 134
參考文獻 136
第8章 磁性二維半導體物理和器件 137
8.1 磁性三維半導體 137
8.2 二維范德瓦耳斯晶體的鐵磁性 140
8.3 二維磁半導體Fe3GeTe2 142
8.4 二維磁半導體CrI3 143
8.5 稀磁二維半導體Fe0.02Sn0.98S2 145
8.6 二維室溫鐵磁材料Cr2Te3 148
8.7 異質結構與界面工程 151
8.8 二維磁體的器件應用 152
參考文獻 156
第9章 二維半導體的催化作用 157
9.1 三維半導體TiO2的催化產氫效應 157
9.2 二維TMD的催化產氫作用的一些基本概念 160
9.3 二維半導體的光催化性質 161
9.3.1 邊緣修飾的黑磷烯納米帶的光解水性質 162
9.3.2 WSSe的光催化性質 166
9.3.3 MM′XX′（M，M′=Ga，In;X，X′=S，Se，Te）的光催化性質 169
9.4 增加HER效率的方法 172
9.4.1 相變工程 172
9.4.2 缺陷工程 173
9.4.3 異質原子摻雜工程 177
9.4.4 異質結構工程 181
參考文獻 184
第10章 二維半導體異質結 185
10.1 二維半導體垂直異質結 185
10.2 二維半導體垂直異質結的應用 187
10.3 二維半導體側向異質結 188
10.4 二維半導體側向異質結的應用 190
10.5 雙層MoS2/WS2側向異質結的物理性質 191
10.6 單層MoS2/WS2異質結的制備和物理性質 192
10.7 垂直異質結中的激子 195
10.8 轉角異質結和莫爾激子 197
參考文獻 199
附錄 二維半導體的物理常數 200
《21世紀理論物理及其交叉學科前沿叢書》已出版書目 203
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二維半導體物理 節選
第1章晶體結構和能帶 1.1氮化硼 這里使用基于密度泛函理論（DFT）的**原理，利用投影綴加平面波（PAW）和廣義梯度近似（GGA），以及PW91軟件包計算能帶。氮化硼（BN）的原子排列和二維能帶、態密度如圖1.1所示。圖1.1（a）右圖是總電荷密度分布pBN和電荷密度差Pbn_Pb-Pn，其中Pb、Pn分別是棚（B）和氣（N）的平均電荷密度。由圖1.1（a）可見，電荷都由B原子轉移到N原子，按照Lowdin分析，電荷轉移量為AQ=0.429個電子，因此它們之間的鍵是離子型的。圖1.1（b）左圖是能帶圖，B-pz態和N-pz態形成成鍵態和反鍵態，打開了能隙。右圖是N和B的分波態密度，實線是總態密度（DOS）。紅色是s電子的貢獻，綠色是p電子的貢獻。由圖可見，N的價帶和B的導帶主要由p電子構成，而*下面的價帶則由s電子構成。計算中取a1=a2=2.5ll人，得到能隙Ｅg=4.64eV（間接）。 1.2黑磷間 白磷的分子式為P4，分子中的原子構成一個四面體，具有6個鍵，與每個磷原子近鄰的有3個鍵，還有一個單獨的懸鍵。3個鍵和一個懸鍵由3s和3p原子軌道的雜化產生。一般地，對這種雜化，鍵和懸鍵形成109.5°角。但是由于P4的分子結構，鍵之間的角是60°，這樣小的角度產生應變，導致了白磷的不穩定性。 由于sp3雜化，黑憐（black phosphorus，BP）的原子排列不是平面的，而是皺曲的，如圖1.2所示。元胞取頂層4個相同的相鄰原子（紅色）組成，因此一個元胞中包括1個頂層原子（紅色）和2個底層原子（藍色）。 用基于密度泛函理論的**原理計算黑磷的能帶，結果如圖1.3所示。由圖可見，黑憐是一個直接帶隙或近似直接帶隙的半導體，導帶底在r點，而價帶頂在r點附近的r-Y方向上，如圖1.3（c）所示，價帶頂位于0.06X2JTAV其中ay是y方向的晶格常數，帶隙為0.8eV。 1.3砷烯和銻烯 砷（As）的體材料（灰砷）本來就是一種層狀材料，它的晶體結構如圖l.4（a）、（b）所示，它的層間距離、鍵長和鍵角分別為2.04A、2.49A和97.27°。砷烯（arsenene）就是其中的一層，由于晶格畸變，相應的鍵長和角度分別為2.45A和92.54°，鋪烯（antimonene）也有類似的畸變。 圖1.4（c）、（d）分別是單層砷烯的頂視圖和側視圖，它不是平面的，而是皺曲的，原子分2層排列，層之間距離為d=1.35A，原子是六角排列的，但不在一個平面上。圖1.4（c）中圓圈畫的6個原子排列如圖1.4（d）所示。 由于體砷的結構類似于石墨，而石墨烯就能在SiC或金屬表面上生長和剝離，所以預計砷烯或者銻烯也能用類似的方法生長。 圖1.5⑷～（c）分別是3層、2層和單層砷烯的能帶圖，（d）～（f）分別是3層、2層和單層銻烯的能帶圖。它們*大的差別是帶隙：3層、2層和單層砷烯的帶隙分別是0eV、0.37eV和2.49eV；3層、2層和單層銻烯的帶隙分別是0eV、0eV和2.28eV。所以單層的砷烯和銻烯都由金屬變成了寬禁帶半導體，但其是間接能隙。 1.4 MX2（M=Mo，W;X=S，Se） mx2是一種由mx2單層組成的層狀半導體，單層之間由范德瓦耳斯力結合，具有間接帶隙1.29eV。由于層與層之間相對弱的相互作用，以及層內的強相互作用，所以可以像石墨烯一樣，用機械剝離的方法制造單層。 圖1.6是MX2單層原子排列的頂視圖和側視圖，綠色是M原子，黃色是X原子。從頂視圖看是六角排列，實線菱形是元胞。 圖1.6MX2單層原子排列的（a）頂視圖和（b）側視圖 圖1.7是**原理方法計算的4種MX2單層材料的能帶，由圖可見，4種單層材料都是直接帶隙，帶隙分別為1.54eV，1.45eV，1.82eV，1.67eV。 1.5 VX2（X=S，Se和Te） 釩（V）是鐵磁金屬，因此vx2具有鐵磁性。它也是層狀化合物，類似于mx2。單層VX2原子排列的頂視圖和側視圖如圖1.8所示。藍色是V原子，黃色是X原子。元胞基矢為a和6。VS2、VSe2和VTe2的晶格常數分別為3.173A、3.325A和3.587A。 這里用各種**原理方法GW、GGA、GGA+U、HSE（Heyd-Scuseria-Ernzerhof）計算了單層VX2的能帶，如圖1.9所示。它們是自旋極化的，分多數自旋（自旋向上，藍色）和少數自旋（自旋向下，紅色）。計算得到的帶隙各不相同，由HSE方法計算的3種單層化合物的帶隙分別為1.110eV、1.150eV和0.560eV，如圖1.9⑷～（f）中的紫色星號表示。
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