摘要
自石墨烯在实验上被成功制备后，二维纳米材料因其奇异的物理化学特性受到了人们的广泛关注。相比于三维材料，其拥有较大的比表面积、可调带隙和优异力学性能。在过去的二十年中，类石墨烯衍生物、过渡金属硫族化合物、过渡金属碳化物、黑磷及其衍生物等二维材料在实验上相继被制备。二维半导体材料在光电子器件方面具有非常好的应用前景，比如场效应晶体管。理想的场效应晶体管要求具有合适的直接带隙(~1.5 eV)以及较高的载流子迁移率（gt;103 cm2V-1s-1）。其中，稳定性好、迁移率高的石墨烯因为缺乏可调控的带隙从而限制其在光伏、光电子器件领域的应用；过渡金属硫化物具有良好的稳定性和合适的直接带隙，但其载流子迁移率较低此外，黑磷同时拥有迷人的直接带隙和超高的载流子迁移率，但其在空气中不稳定，容易被氧化降解。因此，探究具有高环境稳定性、合适直接带隙、高迁移率的二维材料将成为设计未来高性能光电子器件研究目标。随着实验技术手段的不断提高，三元二维材料因为提供了额外的化学计量比来调谐它们的带隙和性质，且在室温下具有非常好的稳定性，成为近年来的研究热点。另外，通过将不同的二维单层材料构建type-II异质结，可以整合不同二维材料优点，为实验研制高光电转换效率太阳能电池和高性能光电子器件提高理论依据。 因此，本文基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，对最近实验上合成的具有高稳定性的三元二维材料MoSi2N4（α1相）的MSi2Z4家族及其异质结的光电性能进行了系统地研究。具体内容和所取得的研究结果如下： （1）探究了两种新的α1相单层（MoSi2Sb4和WSi2Sb4）和一种新的α2相单层MSi2Z4（M=Mo，W；Z=P，As，Sb）的结构稳定性和光电性能。研究结果表明，所有单层结构都具有较高的结构稳定性，且α2相比α1相结构更稳定。此外，它们都有直接带隙，且具有从红外到可见光的高光吸收效率。重要的是，高空穴迁移率（高达105 cm2V-1s-1）揭示了这些单层MSi2Z4在光电器件中的潜在应用。自旋-轨道耦合也在探索MSi2Z4三元化合物的光电特性中起着关键作用。此外，α2-MoSi2P4/SIn2Te范德瓦尔斯异质结具有20.3%的理想太阳能转换效率。这些新的三元单层结构可以有效地拓宽二维材料家族，为实现高效功能转换器件的实际应用提供了理论支持。 （2）在前期工作的基础上，对单层α1-MoSi2N4、InS及它们复合形成的α1-MoSi2N4/InS范德瓦尔斯异质结的电学、光学性能进行了研究。首先，在理论上构建了6种晶格失配在2%以内的α1-MoSi2N4/InS异质结，对其中结合能最低的结构进行分子动力学模拟，证明了α1-MoSi2N4/InS异质结构具有良好的热稳定性。对其 电学性质进行分析，结果发现，该异质结构具有1.92 eV的Type-II型直接带隙，表明该异质结在可见光波段范围内具有光吸收性能。同时，其光吸收曲线在可见光区域具有显著高于单一受体材料的光学吸收性能，即该异质结的光吸收效率将会极大的提升。此外，极高的载流子(~6×103 cm2V-1s-1)迁移说明其光激发产生的电子和空穴能够快速的迁移，表明其在二维场效应晶体管中有非常好的应用前景。 本文的研究将为实验合成高质量的二维光电材料、研制高性能的光电子器件提供重要的理论依据。
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