摘要
在过去的几十年里，半导体技术依据摩尔定律通过晶体管等比例微缩逐步推进，随着晶体管尺寸缩小至原子尺度，此时量子效应开始占主导地位，摩尔定律陷入瓶颈。而石墨烯以及不断涌现的其他二维纳米材料因其独特的量子限制效应为半导体发展带来了希望，成为纳米器件领域研究的热点材料，不断寻求新型电子材料以及新兴器件架构对促进半导体技术的发展具有重要研究意义。本文基于第一性原理计算方法，系统地研究了三种新型二维纳米材料在多样器件结构下的量子输运性质，深入分析了器件的内部输运机制，揭示了其在微电子、光电器件等领域广阔的发展前景。 本文基于密度泛函理论结合非平衡格林函数的计算方法，系统计算了单层二维四方结构ZnX（X=S,Se）（硫化锌、硒化锌以及新型Janus结构的硫硒化锌）材料的电子性质及其单层纳米电子器件的性能，主要讨论了在外部条件（如偏压、栅压、光照）影响下的器件输运性质。研究表明，二维四方ZnS、ZnSe、Zn2SeS都表现为宽禁带半导体性质。偏压以及栅压对纳米器件的电子输运性质具有有效调控作用，其中单层Zn2SeS纳米器件在5V栅压下的调控最为灵敏，并存在负微分电阻效应。另外，在线性偏振光照射下，单层ZnX（X=S,Se）纳米器件在可见光和近紫外光区表现出优异的光电响应，例如，单层ZnS纳米器件在近紫外光区的光电流达到每光子15.07a02（a0代表玻尔半径），在光电器件领域具有广阔的应用前景。 另外，进一步采用金作为器件电极，模拟实验制备二维纳米器件，搭建了二维Au/ZnX（X=S,Se）/Au金属两端口器件模型，对其在非平衡态下的电输运性质以及光电性质进行了全面深入的理论研究，包括电子透射谱、I-V特性曲线、局域态密度以及光电流的计算。研究表明，在-3.2~3.2V偏压范围内，二维Au/ZnX（X=S,Se）/Au金属两端口器件具备优异I-V特性，总体电流值比单层ZnX（X=S,Se）纳米器件增强了20~30倍，栅压的加入削减了体系内肖特基接触对电子传输的阻碍，I-V特征趋于线性。同时，研究了在线性偏振光照射下，Au/ZnX（X=S,Se）/Au金属两端口器件在微小偏压下的输运性质，结果表明其在蓝光以及紫外光区产生震荡的光电流，预测其作为蓝紫发光二极管具有潜在的应用前景。以上工作为基于电场和光场的纳米材料器件设计提供了理论依据。
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