缺陷对二维材料锡烯的光电性质影响研究开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

近些年，二维纳米材料独特的物理特性吸引了科学家的广泛关注，为改进半导体电子器件的应用提供了新的思路。自实验室实现石墨烯制备以来，二维材料的研究引起了广泛的关注。二维共价键合石墨烯[1,2]具有蜂窝状晶体结构，在电性能[1-7]、力学性能[8-11]、热性能[12-15]等方面表现出独特的性能。虽然石墨烯有许多优良的特性，可以用于某些电子器件，但它没有带隙，这限制了它在高性能半导体纳米电子器件中的应用。2014年，南开大学物理学院周向锋教授、王慧田教授和纽约州立大学石溪分校奥甘诺夫教授等基于进化算法结合第一性原理计算，预测了一个独特的二维硼结构。该研究进一步激发了实验学家挑战合成硼烯的兴趣。2015年，美国阿贡国家实验室、南开大学、纽约州立大学石溪分校和美国西北大学等研究单位合作，利用高真空原子溅射的方法，首次在银的表面成功生长出褶皱的单原子层硼烯[16]。由于硼烯的原子排列结构使得其表面呈现出“褶皱”，而这样的结构决定了硼烯导电属性具有方向性。而水平拉伸导致垂直方向膨胀的“负泊松比”现象也令硼烯的应用更加多样化。2014年，中国科学家张远波等利用胶带成功的从黑磷中剥离出单层磷烯[17]。磷烯的成功制备加上其优异的物理特性引起了科学家们的大量关注。白磷（又叫黄磷）、红磷、黑磷是自然界中磷元素的三种同素异形体，而黑磷是常温常压下最稳定也最常见的晶体[18]，成褶状蜂窝结构[19]。

除了近邻主族元素之外，同族元素更为相似，为此人们开始对和碳同族的iv族元素组成的具有类石墨烯结构的二维晶体材料进行了研究，在iv族元素中有基于硅的硅烯(silicene), 基于锗的锗烯 (germanene)[20] 和基于锡的锡烯 (stanene)[21]等。2011年，原中国科学院物理研究所姚裕贵课题组[22]对具有翘曲结构的单层硅烯、锗烯和锡烯的低能电子结构进行了详细计算和分析，指出这些系统中存在能带反转现象，都应该是量子自旋霍尔效应体系。同时, 计算结果表明大原子序数结合晶格的翘曲结构使得这些系统的自旋轨道耦合效应相比于石墨烯而言大大增强。近年来，用表面沉积法成功地制备了与石墨烯相对应的硅质化合物[23-28]。硅质是具有六边形晶格结构的单层原子。其电子轨道为sp3杂化，具有一定高度的翘曲结构，使硅质在dirac点形成调制带隙[29-35]，其中由锡元素组成的锡烯由于其优异的物理特性成为研究的热点之一。理论计算表明锡烯是一种大能隙的量子自旋霍尔效应绝缘体, 还能够转化为二维的拓扑超导体。此外由单层锡原子组成的锡烯，可能会成为世界上第一种能在常温下达到100％导电率的超级材料。锡烯在电子无耗散输运、自旋流产生、高性能热电、光电器件、拓扑量子计算等方面都具有重要的潜在应用价值。石墨烯中，碳原子因为电子轨道的 sp2杂化而形成蜂窝状平面结构。锡原子的电子轨道只能形成和硅类似的 sp3杂化，没办法形成完全平面结构的原子点阵。由 sn原子构成的最薄的原子点阵是一种具有低度翘曲 (low-buckled)的类蜂窝状结构。2013年 , 斯坦福大学张首晟课题组 [36]利用第一性原理计算对锡烯薄膜及其化学修饰进行了细致研究。锡烯存在由pz轨道构成的悬挂键, 化学上可以对这些悬挂键进行调控。 如果利用悬挂键对表面修饰的锡烯进行电子掺杂，有可能将锡烯转变成二维的拓扑超导体，从而成为研究拓扑量子计算的载体 [37]. 如果只对锡烯的一半悬挂键进行钝化.理论上还有可能实现超过液氮温区的量子反常霍尔效应 [38], 这将大大增强反常量子效应实用的可能性。这些发现在量子信息和量子器件发展上都具有重要的意义。

由于缺陷与实际材料更为相似，空位缺陷的多样性可以导致更为丰富的材料特性，因此模拟空位缺陷对材料的影响显得尤为重要，例如空位缺陷(包括单原子空位缺陷和双原子空位缺陷)、 sw（stone-wales）拓扑缺陷、增原子缺陷和其他非拓扑结构缺陷等，其中空位缺陷为石墨烯中最为典型的能稳定存在的点缺陷[39]。缺陷的出现强烈地影响着石墨烯器件的电子输运特性。同时，可以通过人为地控制缺陷的种类和数量来改变石墨烯的物理、化学及机械特性。近年来，越来越多的研究小组致力于含有sw 缺陷碳纳米管热力学性质和电学性质的研究[40]，而锡烯的问世时间较短，目前国内外对其研究不是很多，因此，有必要对含有空位缺陷的锡烯的光电学性质进行研究。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究的基本内容

① 查找资料构建锡烯模型，优化模型并计算其能带结构、态密度等得到其电学性能参数。验证结果的合理性。

② 构建含单空位缺陷和双空位缺陷的锡烯模型，研究其对光电性能的影响，以及探讨空位缺陷的数量对锡烯光电学性能的影响。

③ 构建邻、间、对三种双空位缺陷位置的锡烯模型，研究其光电性能的变化，探讨空位缺陷的位置对锡烯光电性能的影响。

3. 研究计划与安排

2019.12-2020.2

阅读大量磷烯、石墨烯、锡烯等二维材料相关的第一性原理研究文献，学习materials studio软件的使用。

2020.3-2020.4

4. 参考文献（12篇以上）

[1] meyer jc, geim ak, katsnelson mi, novoselov ks, booth tj,roth s. the structure of suspended graphene sheets. nature 2007;446:60–3.

[2] novoselov ks, jiang z, zhang y, morozov sv, stormer hl,zeitler u, et al. room-temperature quantum hall effect ingraphene. science 2007;315:1379.

[3] novoselov k s, geim a k, morozov s v, jiang d, zhang y,dubonos s v, grigorieva i v and firsov a a 2004 electric field effect in atomically thin carbon films. science; 306: 666–9