摘要
随着器件尺度不断缩小，块状硅晶不再适合作为未来晶体管的沟道材料。另一方面，在清洁能源领域硅基太阳能电池的能量转换效率正接近其理论极限。因此寻找可替代硅的低维半导体材料已成为当前凝聚态物理和半导体工业亟需解决的问题。二维(2D)单层材料与范德华(vdW)异质结由于具有优异的物理性质，被视作是下一代电子、光电子与能量转换器件中理想的候选材料。 第五主族碘化物AI3(A=As，Sb和Bi)是一种层状本征半导体材料，具有可调的电学与光学性质，在γ射线探测器、固体电池与光子学器件具有广泛的应用前景。本论文主要通过第一性原理计算方法，研究了第五主族碘化物AI3(A=As，Sb)二维单层、SbI3/BiI3及AsI3/SbI3范德华异质结的几何结构、稳定性、电子结构、光学性质和光催化性质，计算了基于范德华异质结的激子型太阳能电池的能量转换效率，并通过改变层间距和外加电场对体系电子结构与能量转换效率进行调控。另外，我们还研究了单层过渡金属二硫化物的弯曲模量。具体包括: (1)我们系统地研究了第五主族碘化物AI3(A=As，Sb)二维单层的结构、稳定性、电子结构以及光学性质。研究发现AI3(A=As，Sb)单层能够从块体中剥离出来并且动力学稳定。标准的PBE泛函给出AI3(A=As，Sb，Bi)带隙随着A的原子序数的增加而加大，这与实验测量的带隙变化趋势相反。而通过PBE+SOC考虑自旋轨道耦合效应之后，这种不合理的趋势得到了更正。两种结果的不一致可从晶格扩张与相对论效应对能隙影响的竞争关系中得到合理解释。通过PBE+SOC计算得出AsI3与SbI3单层的带隙大小分别为2.00与1.89eV，且两者对可见光有较强的吸收，其绝对带边满足光解水制氢的条件。 (2)在未来的光电与能量转换器件中，二维范德华异质结被视为极具竞争力的候选材料。我们对SbI3/BiI3与AsI3/SbI3范德华异质结的几何结构、稳定性、电子结构、带边进行了研究，并计算了基于异质结的激子型太阳能电池的能量转换效率。研究发现，SbI3与BiI3单层结构可堆叠形成晶格匹配的具有强层间耦合的Ⅱ型范德华异质结，其拥有1.34eV的间接带隙，通过调节层间距可实现间接带隙-准直接带隙的转变。AsI3/SbI3范德华异质结同样具有Ⅱ型能带排列，拥有1.63eV的间接带隙，其绝对带边满足光催化分解水的条件。基于SbI3/BiI3与SbI3/AsI3范德华异质结的激子型太阳能电池的能量转换效率分别为14.42％与18.44％。通过调节SbI3/BiI3异质结的层间距，可增大能量转换效率。此外，我们可通过外加电场将SbI3/BiI3异质结的正常Ⅱ型能带排列调控至反向Ⅱ型排列，而基于反向Ⅱ型SbI3/BiI3太阳能电池的能量转换效率最高可至21.63％。 (3)由于存在可见光频率范围内的本征直接带隙，过渡金属二硫化物MX2单层被认为是柔性电子与光电器件的重要潜在材料。目前，MX2层内弹性模量已被广泛研究，但对于其弯曲模量的研究却较少。通过第一性原理方法，结合计算薄膜构型能量的Helfrich哈密顿量方法，我们拟合一系列单壁纳米管的能量得到单层MX2(M=Mo，W;X=S，Se)的弯曲模量。这个不含参数的方法可以避免使用薄层厚度这一在单层中无法准确定义的概念，从而克服了传统的薄壳理论方法中厚度引入的不确定性。计算所得的单层MoS2的弯曲模量具有各向异性，沿着扶手型方向的数值是9.10eV而沿锯齿型方向的数值为9.61eV，大于用薄壳方法得到的结果，与之前基于经验势和解析方法得到的数值大小相当。不同于薄壳理论，我们的方法预测不同硫化物弯曲模量的相对大小为MoS2＜MoSe2＜WS2＜WSe2。进一步的分析表明，这种不一致可从二维单层弹性模量与纳米管结构弛豫的竞争关系中得到合理解释。
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