黑磷介电性质各向异性的第一性原理研究

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黑磷以其独特的低对称褶皱结构所引发的各向异性而为人们所熟知。黑磷的高迁移率,可调节能隙等独特性质使其在光电子器件,中红外光电器件领域及纳米电子器件领域都有着良好的应用前景。黑磷被报道的几乎所有性质都呈现各向异性,如迁移率,热传导率,光吸收,电子色散等。但黑磷的介电性质的各向异性却仍存在着分歧。不论是实验上还是理论上,对于黑磷的介电屏蔽是各向同性还是各向异性都有不同的结论。因此,从计算的角度来探究和理解黑磷介电性质的各向异性是十分必要的。本文采用第一性原理的计算方法探究了黑磷的介电性质及掺杂对其的影响。研究表明在不掺杂的情况下,单层/晶体黑磷都呈现出轻微的各向异性。而通过对不同掺杂浓度下的静态介电张量分量的计算,说明了电荷与空穴掺杂浓度的提高都会使得黑磷的介电屏蔽性质增强,同时还会使得相对的介电张量大小发生改变。此外,在掺杂浓度提升的过程中,黑磷介电性质可能在各向异性与各向同性之间发生转变。黑磷平面上钾原子诱导的电荷平面图也证明电荷、空穴掺杂可以打破黑磷介电性质的各向异性与各向同性之间的平衡。我们进一步计算了黑磷结构的高压氮相(bp-N)的介电性质以及掺杂对其的影响,来研究其介电性质。未掺杂时,bp-N的静态介电张量分量呈现出明显的各向异性。频率相关介电函数的图像在平面内两方向上的趋势也说明了bp-N的本征介电屏蔽为各向异性。另外,我们对bp-N进行了不同浓度的掺杂。掺杂后bpN介电屏蔽有所增强,且平面内两方向上的介电张量分量的相对大小有所改变。这说明掺杂对bp-N的介电性质会产生一定影响。
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