摘要
在光电转换过程中，普遍存在快速热化现象，这将影响光电器件的性能。热载流子弛豫时间是影响热化的一个关键因素，因此，研究者通过提升热载流子弛豫时间，进而提高器件的光电转换效率。2019年，有研究者通过理论研究发现了一种可用于光电转换器件的二维BeP2C材料。为进一步了解二维BeP2C的性质，我们使用密度泛函理论计算了材料的电子能带结构和声子谱，并利用瓦尼尔插值法计算了0K和300K时的电-声子散射率、热载流子弛豫时间和平均自由程等，进一步探讨了电荷掺杂情况下这种材料的相关输运性质。 本文的内容主要由两部分组成，在第一部分中，我们首先在结构优化的基础上，计算了二维BeP2C的电-声子散射率、热载流子弛豫时间和平均自由程。计算结果表明，在费米能级附近，电-声子散射率比较小，随着能量远离费米能级，散射率先增大，到达极大值之后，又逐渐减小。当温度为0K时，在能量为2.2eV处电-声子散射率达到极大值，约为3.0×1015s-1；当温度增加到300K时，在能量为3.0eV处达到极大值，是0K时的两倍之大，约为6.1×1015s-1。这说明，电-声子散射率随温度的增加而增大。在温度0K到300K时，热载流子弛豫时间的最大值分别是800fs和20fs，平均自由程的最大值分别是240nm和100nm。与电-声子散射率相比，热载流子弛豫时间和平均自由程都出现相反的趋势。 在第二部分中，我们主要研究了0K和300K时掺杂电子的二维BeP2C中的电-声子散射率、热载流子弛豫时间和平均自由程。当温度为0K和300K两种时，掺杂电子的电-声子散射率在1.9eV处都具有最大值，分别为6.0×1016s-1和4.0×1015s-1。当温度为0K和300K时，掺杂电子的热载流子弛豫时间在0eV处的达到780fs和180fs。当温度为0K时，掺杂电子的平均自由程范围为100nm。当温度为300K时，掺杂电子的平均自由程范围为50nm。 在第三部分中，我们进行计算了掺杂空穴的电-声子散射率，温度分别是0K和300K。当温度为0K和300K时，掺杂空穴的电-声子散射率在3.2eV处都达到极大值，分别是4.0×1015s-1和7.5×1015s-1。这表明，随着温度的升高，电-声子散射率也在增大。但是，与电-声子散射率相比，热载流子弛豫时间出现相反的趋势。在0K时，热载流子弛豫时间达到了70fs。当温度增加到300K时，热载流子弛豫时间缩短到10fs。通过研究表明，与二维BeP2C的热载流子弛豫时间相比，掺杂空穴有助于提高热载流子弛豫时间。当温度为0K时，掺杂空穴的平均自由程范围为400nm。当温度为300K时，掺杂空穴的平均自由程范围为200nm。 通过比较BeP2C和黑磷烯的输运性质，发现BeP2C和黑磷烯的热载流子弛豫时间非常相近，均在在800fs。这说明，BeP2C和黑磷烯的光电转换效率可能是相同的。
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