【摘 要】
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锗烯是继石墨烯、硅烯发现以来最重要的二维纳米材料之一。以其优异的物理化学性质得到人们广泛关注。然而,锗烯具有微小带隙的特点极大程度地限制了其在纳米电子器件方面的应用。相关研究表明,通过有机分子吸附、衬底和外电场等方式可有效调控锗烯的原子结构和电学性质。本文采用范德华力修正的密度泛函理论计算方法,研究了电场作用下有机分子吸附和衬底对外电场下锗烯原子结构和电学性质的影响机理,主要研究内容和结论如下:(
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锗烯是继石墨烯、硅烯发现以来最重要的二维纳米材料之一。以其优异的物理化学性质得到人们广泛关注。然而,锗烯具有微小带隙的特点极大程度地限制了其在纳米电子器件方面的应用。相关研究表明,通过有机分子吸附、衬底和外电场等方式可有效调控锗烯的原子结构和电学性质。本文采用范德华力修正的密度泛函理论计算方法,研究了电场作用下有机分子吸附和衬底对外电场下锗烯原子结构和电学性质的影响机理,主要研究内容和结论如下:（1）在锗烯模型中,有机分子苯分子和六氟苯分子分别吸附在八种高对称位置形成不同结构的有机分子/锗烯体系,通过计算吸附能,判据有机分子/锗烯体系的稳定性。本文主要研究外电场作用下最稳定吸附构型的有机分子/锗烯体系的原子结构和电学性质。研究结果表明,有机分子吸附通过弱的相互作用破坏了锗烯亚晶格的对称性,从而在狄拉克点上打开了相当大的带隙。苯/锗烯和六氟苯/锗烯体系分别在K点打开了0.036和0.005 e V的带隙,有效的增大了锗烯的带隙。此外,通过施加外电场,苯/锗烯和六氟苯/锗烯体系可分别将锗烯的带隙增加到0.680和0.521 e V。（2）在有机分子/锗烯模型基础上,进一步采用表面完全氢化的锗烯（锗烷HGe H）作为衬底,研究结果表明锗烯和HGe H衬底均与锗烯之间不存在共价键作用,而是通过弱的相互作用形成稳定的双层异质结构,由于HGe H衬底进一步破坏了锗烯亚晶格的对称性,从而促使苯/锗烯/锗烷和六氟苯/锗烯/锗烷体系进一步拓展带隙,其直接带隙分别为0.152和0.105 e V。在外电场作用下,苯/锗烯/锗烷和六氟苯/锗烯/锗烷体系的直接带隙可增大为0.463和0.358 e V。有机分子/锗烯体系和有机分子/锗烯/锗烷体系均可实现大范围的近似线性可调谐带隙,并且有机分子和锗烷衬底均与锗烯之间仅通过弱的范德华作用力形成异质结构,并没有形成化学键,因此,锗烯的载流子迁移率得到很好的保留。本文提出了一种有效的可调控锗烯带隙的设计方法,为锗烯在场效应管和其它纳米电子学器件中的应用提供了重要的理论指导。
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