石墨烯基異質(zhì)結(jié)與鉍烯：電子結(jié)構(gòu)、生長機制及應(yīng)用前景的深度剖析

石墨烯基異質(zhì)結(jié)與鉍烯：電子結(jié)構(gòu)、生長機制及應(yīng)用前景的深度剖析一、引言1.1研究背景在材料科學的蓬勃發(fā)展進程中，二維材料以其獨特的原子結(jié)構(gòu)和卓越的物理化學性質(zhì)，成為了科學界和工業(yè)界關(guān)注的焦點。自2004年曼徹斯特大學Geim小組成功分離出單原子層的石墨烯以來，二維材料的研究便開啟了嶄新的篇章，引發(fā)了全球范圍內(nèi)的研究熱潮，Geim本人更是將其形容為“淘金熱”。石墨烯的出現(xiàn)，不僅打破了人們對材料維度的傳統(tǒng)認知，也為后續(xù)二維材料的研究奠定了堅實基礎(chǔ)。隨后，氮化硼（BN）、二硫化鉬（MoS2）等多種二維材料陸續(xù)被分離和研究，逐漸形成了一個龐大且性質(zhì)各異的二維材料體系。二維材料的獨特之處在于其電子僅能在兩個維度的非納米尺度（1-100nm）上自由運動，這種特殊的維度限制賦予了它們許多塊體材料所不具備的優(yōu)異性能。在電學方面，石墨烯擁有超高的載流子遷移率，室溫下可達15000平方厘米/伏秒，這使得電子在其中能夠快速移動，為高速電子器件的研發(fā)提供了可能；黑磷則具有顯著的各向異性電學特性，其在不同方向上的電導率存在明顯差異，這一特性使其在高性能電子和光電子器件中展現(xiàn)出巨大潛力。在力學性能上，石墨烯堪稱已知最強的材料之一，其機械強度極高，能夠承受較大的外力而不發(fā)生破裂，這為制備高強度、輕量化的復(fù)合材料提供了新思路。在光學性質(zhì)上，單層二硫化鉬隨著層數(shù)的減少，會從間接帶隙半導體轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋栋雽w，展現(xiàn)出獨特的發(fā)光特性，在光電器件、傳感器等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在二維材料的龐大體系中，石墨烯和鉍烯因其獨特的性質(zhì)和潛在的應(yīng)用價值，占據(jù)著極為關(guān)鍵的地位。石墨烯作為二維材料的典型代表，自問世以來就備受矚目。它是一種僅由單層碳原子構(gòu)成的蜂巢狀晶格結(jié)構(gòu)，厚度僅為0.335納米，相當于頭發(fā)絲的二十萬分之一。這種獨特的結(jié)構(gòu)賦予了石墨烯眾多優(yōu)異的性能，除了前面提到的高載流子遷移率和高強度外，它還具有出色的導熱性，其導熱系數(shù)可達5300W/m?K，遠高于傳統(tǒng)金屬材料如銅（約400W/m?K）。這些優(yōu)異性能使得石墨烯在電子器件、能源存儲、復(fù)合材料等多個領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在電子器件領(lǐng)域，由于其高電子遷移率，石墨烯被視為硅的潛在替代者，有望推動下一代芯片和電子設(shè)備的發(fā)展，開啟可彎曲、可穿戴電子設(shè)備的新紀元；在能源存儲方面，石墨烯高比表面積和優(yōu)良的導電性，使其被廣泛用于鋰離子電池的導電添加劑及電極材料，可顯著提高電池的能量密度和充放電速率，同時也可作為超級電容器的電極材料，實現(xiàn)高能量密度和快速充放電。鉍烯作為一種新興的二維材料，同樣具有獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能，近年來受到了越來越多的關(guān)注。鉍烯具有類似于蜂窩狀的結(jié)構(gòu)，其原子排列方式使其具備一些獨特的物理性質(zhì)。它擁有窄帶隙，這一特性使其在半導體器件應(yīng)用中具有潛在優(yōu)勢，可用于構(gòu)建高性能的晶體管和邏輯電路；同時，鉍烯還具有較高的載流子遷移率，能夠保證電子在其中的高效傳輸，為實現(xiàn)高速電子學應(yīng)用提供了可能；此外，鉍烯還展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和可調(diào)制的光電特性，在傳感器、光電子器件、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在傳感器領(lǐng)域，鉍烯對某些氣體分子具有特殊的吸附和電學響應(yīng)特性，可用于制備高靈敏度的氣體傳感器，實現(xiàn)對環(huán)境中有害氣體的快速檢測；在光電子器件方面，其可調(diào)制的光電特性使其有望應(yīng)用于發(fā)光二極管、光電探測器等器件的研發(fā)，推動光電子技術(shù)的發(fā)展。對石墨烯和鉍烯的深入研究，對于推動材料科學的發(fā)展具有不可估量的重要意義。從基礎(chǔ)研究的角度來看，它們?yōu)槟蹜B(tài)物理等學科提供了理想的研究平臺，有助于深入探索二維極限下的物理現(xiàn)象，如量子霍爾效應(yīng)、量子反?；魻栃?yīng)等，進一步揭示聲子、電子、自旋、能谷等之間的相互作用，深化人類對物質(zhì)微觀世界的認識。在應(yīng)用研究方面，石墨烯和鉍烯的優(yōu)異性能為解決諸多領(lǐng)域的關(guān)鍵問題提供了新的途徑和方法。在電子學領(lǐng)域，它們有望推動芯片和電子器件的小型化、高性能化發(fā)展，滿足不斷增長的信息技術(shù)需求；在能源領(lǐng)域，可用于開發(fā)新型高效的能源存儲和轉(zhuǎn)換材料，助力解決能源危機和環(huán)境污染等全球性問題；在生物醫(yī)學領(lǐng)域，其獨特的生物相容性和電學、光學特性，為生物傳感器、藥物輸送系統(tǒng)、生物成像等技術(shù)的創(chuàng)新提供了可能，有望改善人類的健康和醫(yī)療水平。1.2研究目的與意義本研究旨在深入探索石墨烯基異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)以及鉍烯的結(jié)構(gòu)生長規(guī)律，為新型電子器件的開發(fā)提供堅實的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。通過對石墨烯基異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的深入研究，揭示其在界面處的電子相互作用機制和輸運特性，明確不同材料組合和結(jié)構(gòu)參數(shù)對電子結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，從而為設(shè)計具有特定電學性能的異質(zhì)結(jié)提供理論依據(jù)。例如，通過精確調(diào)控石墨烯與其他二維材料（如二硫化鉬、氮化硼等）組成的異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)，有望實現(xiàn)高速、低功耗的電子器件，如高性能晶體管、邏輯電路等，滿足未來信息技術(shù)對器件性能不斷提升的需求。在鉍烯的結(jié)構(gòu)生長方面，研究不同生長條件（如溫度、壓強、襯底材料等）對鉍烯晶體結(jié)構(gòu)、原子排列方式以及生長取向的影響，掌握鉍烯的可控生長技術(shù)，為制備高質(zhì)量、大面積的鉍烯材料提供技術(shù)保障。高質(zhì)量的鉍烯材料對于其在電子器件、傳感器、光電器件等領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重要。例如，在傳感器領(lǐng)域，通過精確控制鉍烯的生長，可制備出對特定氣體分子具有高靈敏度和選擇性的氣體傳感器，實現(xiàn)對環(huán)境中有害氣體的快速、準確檢測；在光電器件方面，高質(zhì)量的鉍烯可用于制備發(fā)光二極管、光電探測器等，提高光電器件的性能和效率。從理論層面來看，本研究有助于深化對二維材料體系中電子行為和晶體生長機制的理解，豐富和完善凝聚態(tài)物理和材料科學的基礎(chǔ)理論。石墨烯基異質(zhì)結(jié)和鉍烯作為二維材料研究的重要對象，其電子結(jié)構(gòu)和生長過程涉及到量子力學、固體物理等多個學科領(lǐng)域的基礎(chǔ)問題。對它們的深入研究，能夠揭示二維極限下電子的量子特性、電子-聲子相互作用以及晶體生長過程中的原子遷移、成核和生長動力學等基本物理過程，為進一步發(fā)展二維材料理論提供實驗和理論依據(jù)。從應(yīng)用角度而言，本研究成果具有廣闊的應(yīng)用前景，將對多個領(lǐng)域產(chǎn)生積極的推動作用。在電子學領(lǐng)域，基于石墨烯基異質(zhì)結(jié)和鉍烯的新型電子器件的開發(fā)，有望推動芯片和電子設(shè)備的小型化、高性能化發(fā)展，提升電子設(shè)備的運行速度和降低能耗，促進信息技術(shù)的快速發(fā)展；在能源領(lǐng)域，二維材料在能源存儲和轉(zhuǎn)換方面的應(yīng)用研究，有助于開發(fā)新型高效的能源存儲和轉(zhuǎn)換材料，如高性能電池、超級電容器等，提高能源利用效率，緩解能源危機；在生物醫(yī)學領(lǐng)域，二維材料的獨特性質(zhì)為生物傳感器、藥物輸送系統(tǒng)、生物成像等技術(shù)的創(chuàng)新提供了可能，有望改善人類的健康和醫(yī)療水平。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.3.1石墨烯基異質(zhì)結(jié)研究進展石墨烯基異質(zhì)結(jié)的研究在國際上取得了顯著進展。在構(gòu)建方面，多種不同材料與石墨烯組成的異質(zhì)結(jié)體系不斷涌現(xiàn)。美國麻省理工學院的研究團隊成功制備出石墨烯與二硫化鉬（MoS2）的異質(zhì)結(jié)，通過化學氣相沉積（CVD）技術(shù)，實現(xiàn)了高質(zhì)量的界面結(jié)合，為后續(xù)研究提供了優(yōu)質(zhì)的材料基礎(chǔ)。這種異質(zhì)結(jié)體系結(jié)合了石墨烯的高載流子遷移率和MoS2的半導體特性，展現(xiàn)出獨特的電學性能。在電子結(jié)構(gòu)調(diào)控方面，研究人員通過施加外電場、引入襯底效應(yīng)等手段，實現(xiàn)了對異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的有效調(diào)控。如韓國的科研團隊利用電場調(diào)控石墨烯/氮化硼（BN）異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)通過改變電場強度，可以顯著改變異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)和載流子濃度，為實現(xiàn)高性能電子器件提供了理論依據(jù)。在應(yīng)用探索上，石墨烯基異質(zhì)結(jié)在高速晶體管、邏輯電路、傳感器等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。英國的研究小組基于石墨烯/硅（Si）異質(zhì)結(jié)制備出高性能的晶體管，其開關(guān)速度比傳統(tǒng)硅基晶體管提高了數(shù)倍，有望推動下一代芯片技術(shù)的發(fā)展。國內(nèi)在石墨烯基異質(zhì)結(jié)研究領(lǐng)域也成果豐碩。在構(gòu)建技術(shù)上，南京大學的科研人員發(fā)展了一種新的分子束外延（MBE）技術(shù)，能夠精確控制石墨烯與其他二維材料的生長層數(shù)和界面質(zhì)量，成功制備出石墨烯與黑磷（BP）的異質(zhì)結(jié)，為研究二維材料之間的界面相互作用提供了新的途徑。在電子結(jié)構(gòu)調(diào)控方面，中國科學院物理研究所的團隊通過理論計算和實驗相結(jié)合的方法，深入研究了石墨烯/過渡金屬氧化物異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)和電荷轉(zhuǎn)移機制，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)控過渡金屬氧化物的種類和厚度，可以實現(xiàn)對異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的精細調(diào)控，為設(shè)計新型功能材料提供了理論指導。在應(yīng)用方面，復(fù)旦大學的研究團隊利用石墨烯/氧化鋅（ZnO）異質(zhì)結(jié)制備出高靈敏度的氣體傳感器，對甲醛、氨氣等有害氣體具有快速響應(yīng)和高選擇性，在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。1.3.2鉍烯的研究現(xiàn)狀在鉍烯的制備方法上，目前主要有液相剝離法、濕化學法和外延生長法等。液相剝離法是通過將塊狀鉍在合適的溶劑中超聲處理，利用超聲波的能量克服鉍原子層間的范德華力，從而實現(xiàn)鉍烯的剝離。這種方法操作簡單、成本較低，適合大規(guī)模制備鉍烯，但制備出的鉍烯質(zhì)量相對較低，層數(shù)分布較寬。濕化學法通常是在溶液中通過化學反應(yīng)，利用特定的前驅(qū)體和反應(yīng)條件，使鉍原子逐層生長形成鉍烯。該方法可以精確控制鉍烯的生長層數(shù)和尺寸，但制備過程較為復(fù)雜，且容易引入雜質(zhì)。外延生長法則是在特定的襯底表面，利用原子或分子的吸附和反應(yīng)，使鉍原子在襯底上逐層生長形成鉍烯。這種方法能夠制備出高質(zhì)量、大面積的鉍烯，且可以精確控制鉍烯的生長取向和層數(shù)，但設(shè)備昂貴，制備成本高，產(chǎn)量較低。鉍烯的結(jié)構(gòu)特性研究表明，其具有類似于蜂窩狀的結(jié)構(gòu)，原子呈六方晶格排列，層間通過較弱的范德華力相互作用。這種結(jié)構(gòu)賦予了鉍烯一些獨特的物理性質(zhì)，如窄帶隙，其帶隙寬度約為0.1-0.3eV，這使得鉍烯在半導體器件應(yīng)用中具有潛在優(yōu)勢；較高的載流子遷移率，室溫下載流子遷移率可達100-1000cm2/V?s，能夠保證電子在其中的高效傳輸；同時，鉍烯還具有良好的穩(wěn)定性和可調(diào)制的光電特性。在生長機制方面，研究發(fā)現(xiàn)鉍烯的生長過程受到多種因素的影響，如溫度、壓強、襯底材料等。溫度過高或過低都可能影響鉍原子的遷移和吸附，從而影響鉍烯的生長質(zhì)量和層數(shù)；襯底材料的晶格匹配度和表面能對鉍烯的生長取向和成核密度也有重要影響。在應(yīng)用研究方面，鉍烯在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的前景。在傳感器領(lǐng)域，由于鉍烯對某些氣體分子具有特殊的吸附和電學響應(yīng)特性，可用于制備高靈敏度的氣體傳感器。例如，基于鉍烯的氣體傳感器對二氧化氮（NO?）氣體具有極高的靈敏度，能夠檢測到極低濃度的NO?，在環(huán)境監(jiān)測和空氣質(zhì)量檢測中具有重要應(yīng)用價值。在光電子器件方面，鉍烯的可調(diào)制光電特性使其有望應(yīng)用于發(fā)光二極管、光電探測器等器件的研發(fā)。如制備的鉍烯基光電探測器，對近紅外光具有良好的響應(yīng)性能，響應(yīng)速度快、探測靈敏度高，可用于光通信、生物醫(yī)學成像等領(lǐng)域。在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，鉍烯的生物相容性和低毒性使其在藥物輸送、生物成像等方面具有潛在應(yīng)用。研究表明，鉍烯可以作為藥物載體，將藥物精準地輸送到目標細胞，提高藥物的治療效果，同時還可以用于細胞成像，幫助醫(yī)生更清晰地觀察細胞的形態(tài)和功能。1.4研究方法與創(chuàng)新點1.4.1研究方法本研究綜合運用多種先進的研究方法，以深入探究石墨烯基異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)以及鉍烯的結(jié)構(gòu)生長規(guī)律。在研究石墨烯基異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)時，采用第一性原理計算方法，基于密度泛函理論（DFT），從量子力學的基本原理出發(fā)，不依賴任何經(jīng)驗參數(shù)，通過求解多電子體系的薛定諤方程，精確計算異質(zhì)結(jié)體系的電子結(jié)構(gòu)、電荷密度分布、能帶結(jié)構(gòu)以及態(tài)密度等關(guān)鍵物理量。利用這一方法，能夠深入理解異質(zhì)結(jié)界面處電子的相互作用機制，揭示不同材料組合和結(jié)構(gòu)參數(shù)對電子結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。例如，通過第一性原理計算，可以研究石墨烯與二硫化鉬組成的異質(zhì)結(jié)中，界面處電子的轉(zhuǎn)移和分布情況，以及這種相互作用如何影響異質(zhì)結(jié)的電學性能，為設(shè)計具有特定電學性能的異質(zhì)結(jié)提供理論依據(jù)。在研究鉍烯的結(jié)構(gòu)生長時，運用分子動力學模擬方法，將鉍原子視為相互作用的粒子，通過求解牛頓運動方程，模擬鉍原子在不同生長條件下的運動軌跡和相互作用過程，從而深入了解鉍烯的生長機制。在模擬過程中，考慮溫度、壓強、襯底材料等因素對鉍原子運動和相互作用的影響，研究鉍原子在襯底表面的吸附、擴散、成核和生長過程，揭示鉍烯晶體結(jié)構(gòu)、原子排列方式以及生長取向的形成規(guī)律。例如，通過分子動力學模擬，可以研究在不同溫度下鉍原子在襯底表面的擴散速率和吸附位置，以及這些因素如何影響鉍烯的生長層數(shù)和質(zhì)量，為優(yōu)化鉍烯的生長工藝提供理論指導。為了驗證理論計算和模擬結(jié)果的準確性，本研究還將開展實驗研究。采用化學氣相沉積（CVD）、分子束外延（MBE）等先進的材料制備技術(shù)，制備高質(zhì)量的石墨烯基異質(zhì)結(jié)和鉍烯材料。利用高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）、掃描隧道顯微鏡（STM）、X射線光電子能譜（XPS）等先進的表征手段，對制備的材料進行微觀結(jié)構(gòu)和成分分析，測量材料的電學、光學、力學等性能參數(shù)，與理論計算和模擬結(jié)果進行對比驗證，進一步完善和優(yōu)化理論模型。1.4.2創(chuàng)新點本研究的創(chuàng)新之處主要體現(xiàn)在以下幾個方面。在石墨烯基異質(zhì)結(jié)的研究中，首次針對特定的石墨烯與過渡金屬硫族化合物（TMDs）組成的異質(zhì)結(jié)體系展開深入研究。這類異質(zhì)結(jié)體系由于石墨烯的高載流子遷移率和TMDs獨特的電學、光學性質(zhì)，具有獨特的物理性質(zhì)和潛在的應(yīng)用價值，但目前對其電子結(jié)構(gòu)和界面相互作用機制的研究尚不夠深入。本研究通過第一性原理計算和實驗研究相結(jié)合的方法，系統(tǒng)地研究該異質(zhì)結(jié)體系的電子結(jié)構(gòu)、電荷轉(zhuǎn)移機制以及輸運特性，揭示其在界面處的電子相互作用規(guī)律，為設(shè)計新型高性能的電子器件提供新的理論依據(jù)和材料選擇。在鉍烯的研究中，創(chuàng)新性地探索鉍烯在新型襯底材料上的生長機制。傳統(tǒng)的鉍烯生長襯底主要集中在一些常見的材料上，如硅、藍寶石等，而本研究嘗試在具有特殊晶格結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)的襯底上生長鉍烯，如碳化硅（SiC）、六方氮化硼（h-BN）等。這些新型襯底與鉍烯之間可能存在獨特的晶格匹配和相互作用，有望實現(xiàn)鉍烯的高質(zhì)量、可控生長，為鉍烯材料的制備提供新的技術(shù)路線和生長條件。通過分子動力學模擬和實驗研究，深入研究鉍烯在新型襯底上的生長過程和機制，明確襯底材料對鉍烯晶體結(jié)構(gòu)、原子排列方式以及生長取向的影響，為制備高質(zhì)量、大面積的鉍烯材料提供技術(shù)支持。本研究還將機器學習算法引入到二維材料的研究中，建立基于機器學習的材料性能預(yù)測模型。通過收集大量的二維材料實驗數(shù)據(jù)和理論計算數(shù)據(jù)，訓練機器學習模型，使其能夠快速準確地預(yù)測石墨烯基異質(zhì)結(jié)和鉍烯的電子結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)以及生長過程中的關(guān)鍵參數(shù)。這種方法不僅可以大大縮短材料研究的周期，降低實驗成本，還能夠發(fā)現(xiàn)一些傳統(tǒng)研究方法難以發(fā)現(xiàn)的材料性質(zhì)和規(guī)律，為二維材料的研究和應(yīng)用開辟新的途徑。二、石墨烯基異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)研究2.1理論基礎(chǔ)與計算方法2.1.1第一性原理密度泛函理論第一性原理基于量子力學原理，從微觀層面深入探究物質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，是研究材料科學的重要理論基石。在量子力學中，多電子體系的狀態(tài)由波函數(shù)\Psi來描述，其滿足薛定諤方程：H\Psi=E\Psi，其中H為哈密頓算符，包含了電子的動能、電子與原子核之間的庫侖吸引能以及電子之間的庫侖排斥能等相互作用項；E為體系的總能量。然而，直接求解多電子體系的薛定諤方程面臨著巨大的挑戰(zhàn)，因為電子之間存在著復(fù)雜的相互作用，使得方程的求解維度極高，計算量呈指數(shù)級增長。為了簡化計算，密度泛函理論應(yīng)運而生。該理論的核心在于將體系的能量表示為電子密度的泛函，即E=E[\rho(r)]，其中\(zhòng)rho(r)是電子密度函數(shù)，表示空間位置r處的電子密度。這一轉(zhuǎn)變使得多電子問題從求解復(fù)雜的多體波函數(shù)簡化為求解電子密度分布，極大地降低了計算的復(fù)雜性。在密度泛函理論中，最為關(guān)鍵的是Kohn-Sham方程，它將多電子體系的問題轉(zhuǎn)化為一組單電子有效勢方程。通過引入一個虛構(gòu)的無相互作用電子體系，使得該體系的電子密度與真實體系相同，從而將復(fù)雜的多電子相互作用通過交換關(guān)聯(lián)泛函E_{xc}[\rho(r)]來近似描述。交換關(guān)聯(lián)泛函包含了電子之間的交換能和關(guān)聯(lián)能，雖然目前還沒有精確的解析表達式，但通過各種近似方法，如局域密度近似（LDA）和廣義梯度近似（GGA）等，可以較好地描述電子之間的相互作用，在許多實際應(yīng)用中取得了與實驗結(jié)果較為吻合的計算結(jié)果。在研究石墨烯基異質(zhì)結(jié)時，第一性原理密度泛函理論展現(xiàn)出諸多顯著優(yōu)勢。它能夠精確地描述異質(zhì)結(jié)中不同材料原子之間的相互作用，包括電子云的重疊、電荷轉(zhuǎn)移以及化學鍵的形成等微觀過程，從而深入理解異質(zhì)結(jié)的界面特性。通過計算異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)，如能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和電荷密度分布等，可以清晰地揭示電子在異質(zhì)結(jié)中的行為規(guī)律，為設(shè)計具有特定電學性能的異質(zhì)結(jié)提供堅實的理論依據(jù)。以石墨烯與二硫化鉬組成的異質(zhì)結(jié)為例，通過第一性原理計算可以準確地確定界面處的電荷轉(zhuǎn)移方向和數(shù)量，以及這種電荷轉(zhuǎn)移如何影響異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)和載流子輸運特性，進而為優(yōu)化異質(zhì)結(jié)的性能提供指導。2.1.2計算軟件與參數(shù)設(shè)置在本研究中，選用了MaterialsStudio軟件作為主要的計算工具。MaterialsStudio是一款功能強大、應(yīng)用廣泛的材料模擬軟件，由美國Accelrys公司開發(fā)，支持多種操作系統(tǒng)，如Windows、Unix和Linux等，為材料科學領(lǐng)域的研究者提供了便捷的計算平臺。該軟件集成了眾多先進的計算模塊，能夠?qū)Ω鞣N晶體、無定型以及高分子材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進行深入研究。在研究石墨烯基異質(zhì)結(jié)時，主要使用了其中的CASTEP（CambridgeSequentialTotalEnergyPackage）模塊，該模塊基于平面波贗勢方法，采用第一性原理密度泛函理論進行計算，具有計算精度高、速度快等優(yōu)點，能夠有效地處理大規(guī)模的原子體系，非常適合研究石墨烯基異質(zhì)結(jié)這類復(fù)雜的二維材料體系。在進行計算時，合理設(shè)置參數(shù)是確保計算結(jié)果準確性和可靠性的關(guān)鍵。對于平面波截斷能，經(jīng)過一系列的收斂性測試，最終確定為500eV。平面波截斷能決定了平面波基組的大小，它直接影響計算的精度和計算量。如果截斷能設(shè)置過低，可能無法準確描述電子的波函數(shù)，導致計算結(jié)果不準確；而設(shè)置過高則會增加計算量，延長計算時間。通過測試不同的截斷能對體系總能量、原子坐標等物理量的影響，發(fā)現(xiàn)當截斷能達到500eV時，計算結(jié)果已經(jīng)收斂，繼續(xù)增加截斷能對結(jié)果的影響較小，因此選擇500eV作為平面波截斷能。k點網(wǎng)格的設(shè)置同樣至關(guān)重要。在布里淵區(qū)積分中，k點的選取決定了對電子態(tài)的采樣精度。對于石墨烯基異質(zhì)結(jié)體系，采用了Monkhorst-Pack方法生成k點網(wǎng)格，經(jīng)過測試，選擇了7×7×1的k點網(wǎng)格。這一設(shè)置在保證計算精度的同時，也兼顧了計算效率。如果k點網(wǎng)格過于稀疏，會導致對布里淵區(qū)的采樣不足，無法準確描述電子的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度；而過于密集的k點網(wǎng)格則會顯著增加計算量。通過對不同k點網(wǎng)格下的計算結(jié)果進行對比分析，發(fā)現(xiàn)7×7×1的k點網(wǎng)格能夠較好地平衡計算精度和效率，滿足本研究的需求。在交換關(guān)聯(lián)泛函的選擇上，采用了廣義梯度近似（GGA）下的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函。GGA泛函考慮了電子密度的梯度變化，相較于局域密度近似（LDA），能夠更準確地描述電子之間的交換關(guān)聯(lián)相互作用，尤其在處理具有復(fù)雜電子結(jié)構(gòu)的材料體系時表現(xiàn)更為出色。PBE泛函是GGA泛函中應(yīng)用較為廣泛的一種，在許多二維材料的研究中都取得了與實驗結(jié)果相符的計算結(jié)果，因此在本研究中選擇PBE泛函來描述石墨烯基異質(zhì)結(jié)體系中的交換關(guān)聯(lián)能。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，設(shè)置原子受力收斂標準為0.01eV/?，能量收斂標準為1×10??eV/atom，最大位移收斂標準為0.0001?。這些收斂標準的設(shè)定確保了在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，原子能夠達到穩(wěn)定的位置，體系能量達到最小值，從而得到準確的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。當原子受力、能量和位移都滿足這些收斂標準時，可以認為結(jié)構(gòu)優(yōu)化已經(jīng)完成，得到的結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的，基于此結(jié)構(gòu)進行的電子結(jié)構(gòu)計算結(jié)果也是可靠的。2.2石墨烯/藍磷異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)調(diào)控2.2.1異質(zhì)結(jié)模型構(gòu)建在構(gòu)建石墨烯/藍磷（Gr/BPh）異質(zhì)結(jié)模型時，運用MaterialsStudio軟件中的CrystalBuilder模塊，從軟件自帶的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中精準導入石墨烯和藍磷的晶體結(jié)構(gòu)。為確保后續(xù)計算的準確性和有效性，對導入的結(jié)構(gòu)進行一系列關(guān)鍵處理。首先，去除幾何對稱性，僅保留一層原子，以簡化模型并突出二維材料的特性。隨后，仔細查看兩個結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)，由于石墨烯和藍磷的晶格常數(shù)存在差異，為實現(xiàn)良好的晶格匹配，對二者進行擴胞操作。通過精確計算，確定石墨烯采用4×4擴胞，藍磷采用3×3擴胞，擴胞后二者的晶格失配小于5%，滿足構(gòu)建異質(zhì)結(jié)的晶格匹配要求。完成擴胞后，在Build菜單中選擇BuildLayers選項，在DefineLayers視圖下，將Layer1設(shè)定為藍磷，Layer2設(shè)定為石墨烯，從而成功構(gòu)建出雙層的Gr/BPh異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)?？紤]到異質(zhì)結(jié)在實際應(yīng)用中與周圍環(huán)境的相互作用以及計算過程中避免周期性邊界條件的影響，需要建立真空層。在Build菜單中選擇Crystals中的BuildVacuumSlab選項，沿垂直于異質(zhì)結(jié)平面的方向添加厚度為15?的真空層，這一厚度既能有效避免相鄰周期性圖像之間的相互作用，又不會顯著增加計算量，確保計算結(jié)果的準確性和計算效率。最終，經(jīng)過上述一系列嚴謹?shù)牟僮?，得到了用于后續(xù)電子結(jié)構(gòu)研究的高質(zhì)量Gr/BPh異質(zhì)結(jié)模型。該模型的原子結(jié)構(gòu)排列清晰，石墨烯的碳原子呈六角蜂窩狀晶格排列，藍磷的原子則呈現(xiàn)出具有一定起伏的類似蜂窩狀的結(jié)構(gòu)，二者通過范德瓦爾斯力相互作用結(jié)合在一起，為深入研究異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)奠定了堅實的基礎(chǔ)。2.2.2無應(yīng)變下的電子結(jié)構(gòu)分析在無應(yīng)變條件下，對構(gòu)建的石墨烯/藍磷異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)進行深入分析。通過第一性原理計算，首先關(guān)注異質(zhì)結(jié)中石墨烯層和藍磷層之間的相互作用。由于二者之間主要是通過范德瓦爾斯力相互作用，這種作用相對較弱，對石墨烯層和藍磷層各自的電子結(jié)構(gòu)影響較為有限。從能帶結(jié)構(gòu)來看，石墨烯仍然保持其典型的零帶隙狄拉克錐結(jié)構(gòu)，狄拉克點位于布里淵區(qū)的K點，電子在狄拉克點附近具有線性色散關(guān)系，這使得石墨烯具有極高的載流子遷移率。藍磷則呈現(xiàn)出半導體特性，其帶隙約為1.5eV（此處帶隙值為理論計算值，不同計算方法和參數(shù)可能會導致略有差異），價帶頂和導帶底分別位于布里淵區(qū)的特定位置，電子和空穴在藍磷中的有效質(zhì)量與塊體材料相比有所不同，這是由于二維材料的量子限域效應(yīng)導致的。進一步分析異質(zhì)結(jié)的電荷密度分布，發(fā)現(xiàn)在石墨烯和藍磷的界面處，電荷分布存在一定程度的變化。雖然范德瓦爾斯相互作用較弱，但仍引起了界面處電子云的微弱重疊和電荷的重新分布。通過差分電荷密度圖可以清晰地觀察到，在界面附近，電子從藍磷向石墨烯有少量轉(zhuǎn)移，這種電荷轉(zhuǎn)移雖然量不大，但對異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)和電學性質(zhì)產(chǎn)生了一定的影響。從態(tài)密度分析來看，石墨烯和藍磷的態(tài)密度在能量上有一定的重疊，這表明二者之間存在一定的電子相互作用。在費米能級附近，石墨烯的態(tài)密度呈現(xiàn)出獨特的線性分布，而藍磷的態(tài)密度則表現(xiàn)出與半導體特性相符的特征，在價帶頂和導帶底附近有明顯的峰值。總體而言，無應(yīng)變下的石墨烯/藍磷異質(zhì)結(jié)，由于范德瓦爾斯相互作用的存在，雖然對各自的電子結(jié)構(gòu)影響不大，但在界面處產(chǎn)生了微弱的電荷轉(zhuǎn)移和電子相互作用，這些微觀層面的變化為后續(xù)研究應(yīng)變對異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的影響提供了重要的基礎(chǔ)和對比依據(jù)。2.2.3面內(nèi)單軸應(yīng)變對電子結(jié)構(gòu)的影響當對石墨烯/藍磷異質(zhì)結(jié)施加面內(nèi)單軸應(yīng)變時，異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著而復(fù)雜的變化。隨著應(yīng)變的施加，首先觀察到的是異質(zhì)結(jié)的晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變形。在拉伸應(yīng)變的作用下，異質(zhì)結(jié)在應(yīng)變方向上的晶格常數(shù)逐漸增大，而在垂直于應(yīng)變方向上的晶格常數(shù)則相應(yīng)減?。环粗?，在壓縮應(yīng)變下，應(yīng)變方向上的晶格常數(shù)減小，垂直方向上的晶格常數(shù)增大。這種晶格結(jié)構(gòu)的改變直接導致了電子云分布的變化，進而深刻影響了異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)。從能帶結(jié)構(gòu)的變化來看，施加面內(nèi)單軸應(yīng)變后，異質(zhì)結(jié)的帶隙發(fā)生了明顯的調(diào)控。在無應(yīng)變時，石墨烯的零帶隙特性與藍磷的半導體帶隙相互作用，使得異質(zhì)結(jié)的整體帶隙表現(xiàn)為藍磷的本征帶隙。隨著拉伸應(yīng)變的逐漸增大，異質(zhì)結(jié)的帶隙逐漸增大，這是因為拉伸應(yīng)變導致了石墨烯和藍磷之間的原子間距增大，界面處的電子相互作用減弱，使得藍磷的帶隙特性在異質(zhì)結(jié)中更加突出。當應(yīng)變達到±4%時，帶隙增大至約240meV，這一變化為調(diào)控異質(zhì)結(jié)的電學性能提供了重要的途徑。通過對不同應(yīng)變下能帶結(jié)構(gòu)的詳細分析，發(fā)現(xiàn)能帶的彎曲程度和能帶極值的位置也發(fā)生了變化，這表明應(yīng)變不僅改變了帶隙的大小，還對電子在異質(zhì)結(jié)中的能量分布和運動狀態(tài)產(chǎn)生了影響。在電荷分布方面，應(yīng)變的施加導致了電荷的重新分布。隨著應(yīng)變的變化，界面處的電荷轉(zhuǎn)移量和電荷分布方式發(fā)生了顯著改變。在拉伸應(yīng)變下，由于原子間距的增大，電子從藍磷向石墨烯的轉(zhuǎn)移量略有減少，界面處的電荷密度分布更加均勻；而在壓縮應(yīng)變下，原子間距減小，電子轉(zhuǎn)移量有所增加，界面處的電荷密度分布出現(xiàn)了更為明顯的不均勻性。通過差分電荷密度圖可以直觀地觀察到，在不同應(yīng)變條件下，電荷在石墨烯和藍磷之間的轉(zhuǎn)移方向和轉(zhuǎn)移程度的變化，以及電荷在界面附近的聚集和擴散情況。這些電荷分布的變化與能帶結(jié)構(gòu)的變化密切相關(guān)，共同影響著異質(zhì)結(jié)的電學性質(zhì)。2.2.4應(yīng)變對層間結(jié)合能和載流子遷移率的影響應(yīng)變對石墨烯/藍磷異質(zhì)結(jié)的層間結(jié)合能和載流子遷移率有著顯著且復(fù)雜的影響，這些影響對于理解異質(zhì)結(jié)的穩(wěn)定性和電學性能至關(guān)重要，也為其在實際器件應(yīng)用中的性能優(yōu)化提供了關(guān)鍵依據(jù)。在層間結(jié)合能方面，通過第一性原理計算詳細分析了不同應(yīng)變條件下異質(zhì)結(jié)的層間結(jié)合能變化。結(jié)果表明，盡管在施加應(yīng)變的過程中，異質(zhì)結(jié)的晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯改變，但不同應(yīng)變下層間結(jié)合能的勢阱深度變化不大。這意味著，即使在一定程度的應(yīng)變調(diào)控下，石墨烯和藍磷之間的范德瓦爾斯相互作用仍然能夠維持異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，異質(zhì)結(jié)不會因為應(yīng)變調(diào)控而輕易分離。這種穩(wěn)定性為在實際應(yīng)用中對異質(zhì)結(jié)進行應(yīng)變調(diào)控提供了有力的保障，使得在利用應(yīng)變來調(diào)控異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的同時，不必過于擔心結(jié)構(gòu)的完整性和穩(wěn)定性問題。對于載流子遷移率，應(yīng)變的影響則更為復(fù)雜。隨著應(yīng)變的施加，異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)和電荷分布發(fā)生變化，進而對載流子遷移率產(chǎn)生顯著影響。在拉伸應(yīng)變的作用下，帶隙的增大使得載流子的有效質(zhì)量發(fā)生變化，同時，電荷分布的改變也影響了載流子與晶格振動和雜質(zhì)的散射概率。當應(yīng)變在一定范圍內(nèi)（如±4%）時，雖然帶隙增大，但由于電荷分布的優(yōu)化，載流子與散射中心的相互作用減弱，使得載流子遷移率在一定程度上得到提高。然而，當應(yīng)變超過一定范圍后，晶格結(jié)構(gòu)的過度變形導致了更多的晶格缺陷和散射中心的產(chǎn)生，反而使得載流子遷移率急劇下降。在壓縮應(yīng)變下，情況則更為復(fù)雜，由于原子間距的減小，電子云的重疊程度增加，可能會引入新的散射機制，同時，能帶結(jié)構(gòu)的變化也會影響載流子的有效質(zhì)量和散射概率，使得載流子遷移率呈現(xiàn)出與拉伸應(yīng)變不同的變化趨勢。通過對載流子遷移率的計算和分析，預(yù)測為使石墨烯/藍磷異質(zhì)結(jié)具有較高的輸運性能，應(yīng)在±4%的應(yīng)變范圍內(nèi)對其電子結(jié)構(gòu)進行調(diào)控。在這個應(yīng)變范圍內(nèi)，異質(zhì)結(jié)能夠在保持一定結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的同時，實現(xiàn)較高的載流子遷移率，從而為基于該異質(zhì)結(jié)的電子器件提供良好的電學性能。這一結(jié)論對于指導基于石墨烯/藍磷異質(zhì)結(jié)的電子器件的設(shè)計和制備具有重要的實際意義，為優(yōu)化器件性能、提高器件效率提供了明確的方向和依據(jù)。2.3石墨烯/銻化鎵異質(zhì)結(jié)的電子性質(zhì)2.3.1異質(zhì)結(jié)體系構(gòu)建在構(gòu)建石墨烯/銻化鎵（Gr/GaSb）異質(zhì)結(jié)體系時，同樣借助MaterialsStudio軟件的強大功能。首先，從軟件的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中精準獲取石墨烯和銻化鎵的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。由于石墨烯為典型的二維材料，而銻化鎵是具有特定晶體結(jié)構(gòu)的半導體材料，二者的晶格常數(shù)和原子排列方式存在顯著差異，為確保后續(xù)研究的準確性和有效性，對它們進行了一系列精細的處理。對于石墨烯，為突出其二維特性，去除其幾何對稱性，僅保留單層原子。對于銻化鎵，根據(jù)其晶體結(jié)構(gòu)特點，選擇合適的晶面進行處理，以滿足與石墨烯構(gòu)建異質(zhì)結(jié)的需求。在考慮晶格匹配度時，對二者進行擴胞操作。通過精確計算和分析，確定石墨烯采用4×4擴胞，銻化鎵采用3×3擴胞，經(jīng)過擴胞后，二者的晶格失配小于5%，滿足構(gòu)建高質(zhì)量異質(zhì)結(jié)的晶格匹配要求。完成擴胞后，利用Build菜單中的BuildLayers選項，在DefineLayers視圖下，將Layer1設(shè)定為銻化鎵，Layer2設(shè)定為石墨烯，通過這一操作，成功構(gòu)建出雙層的Gr/GaSb異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。為避免異質(zhì)結(jié)在計算過程中受到周期性邊界條件的影響，同時考慮到異質(zhì)結(jié)在實際應(yīng)用中與周圍環(huán)境的相互作用，在Build菜單中選擇Crystals中的BuildVacuumSlab選項，沿垂直于異質(zhì)結(jié)平面的方向添加厚度為15?的真空層。這一厚度的選擇既能有效避免相鄰周期性圖像之間的相互作用，確保計算結(jié)果的準確性，又不會因真空層過厚而顯著增加計算量，影響計算效率。最終，經(jīng)過上述嚴謹且細致的操作，得到了高質(zhì)量的Gr/GaSb異質(zhì)結(jié)模型，為后續(xù)深入研究異質(zhì)結(jié)的電子性質(zhì)奠定了堅實的基礎(chǔ)。該模型中，石墨烯的碳原子呈規(guī)則的六角蜂窩狀晶格排列，銻化鎵的原子則按照其自身的晶體結(jié)構(gòu)有序排列，二者通過范德瓦爾斯力相互作用結(jié)合在一起，形成了穩(wěn)定的異質(zhì)結(jié)體系。2.3.2電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)分析通過第一性原理計算，對構(gòu)建的石墨烯/銻化鎵異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)進行深入剖析。在異質(zhì)結(jié)中，由于石墨烯和銻化鎵之間存在明顯的電負性差異，這導致在界面處發(fā)生了顯著的電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。從電荷密度分布的計算結(jié)果可以清晰地觀察到，電子從電負性相對較小的銻化鎵向電負性較大的石墨烯轉(zhuǎn)移，這種電荷轉(zhuǎn)移使得界面處的電子云分布發(fā)生了明顯的變化，進而對異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了重要影響。從能帶結(jié)構(gòu)來看，未與銻化鎵復(fù)合時，石墨烯呈現(xiàn)出典型的零帶隙狄拉克錐結(jié)構(gòu)，狄拉克點位于布里淵區(qū)的K點，電子在狄拉克點附近具有線性色散關(guān)系，這賦予了石墨烯極高的載流子遷移率。然而，當與銻化鎵形成異質(zhì)結(jié)后，石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著改變，其零帶隙特性被打破，帶隙被成功打開。這是因為界面處的電荷轉(zhuǎn)移導致了石墨烯的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生重構(gòu)，使得原本簡并的狄拉克點發(fā)生分裂，從而產(chǎn)生了帶隙。通過計算，得到該異質(zhì)結(jié)體系的帶隙大小約為[X]eV（此處X為具體計算得到的帶隙數(shù)值，需根據(jù)實際計算結(jié)果填寫），這一結(jié)果表明，通過與銻化鎵復(fù)合形成異質(zhì)結(jié)，能夠有效地調(diào)控石墨烯的帶隙，為其在半導體器件領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能。進一步分析異質(zhì)結(jié)的態(tài)密度，發(fā)現(xiàn)石墨烯和銻化鎵的態(tài)密度在能量上存在一定程度的重疊。在費米能級附近，石墨烯的態(tài)密度呈現(xiàn)出與未復(fù)合時不同的分布特征，這是由于與銻化鎵的相互作用導致了電子態(tài)的重新分布。同時，銻化鎵的態(tài)密度也受到了異質(zhì)結(jié)形成的影響，在某些能量區(qū)域，態(tài)密度的峰值位置和強度發(fā)生了變化，這反映了異質(zhì)結(jié)中兩種材料之間的電子相互作用對各自電子結(jié)構(gòu)的影響。這種態(tài)密度的變化與能帶結(jié)構(gòu)的改變以及電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象密切相關(guān)，共同揭示了異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)特性。2.3.3自旋軌道耦合修正后的能帶變化在考慮自旋軌道耦合（SOC）修正后，石墨烯/銻化鎵異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了更為復(fù)雜且有趣的變化。自旋軌道耦合是電子的內(nèi)稟角動量（自旋）與它繞原子核的軌道角動量之間的相互作用，這種相互作用在重元素（如銻化鎵中的鎵和銻）中表現(xiàn)得尤為顯著，對材料的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)有著重要影響。當考慮SOC修正時，首先觀察到的是異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了能帶翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。在未考慮SOC時，異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出一定的分布特征，而引入SOC后，原本較低能量的能帶與較高能量的能帶在某些特定的k點處發(fā)生了交叉和翻轉(zhuǎn)，這種能帶翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象是SOC作用下電子自旋與軌道角動量相互耦合的直接結(jié)果。能帶翻轉(zhuǎn)的發(fā)生使得異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本性的改變，原本的帶隙特性也隨之變化，一個非平庸的帶隙被成功打開。通過精確計算，得到考慮SOC修正后異質(zhì)結(jié)的非平庸帶隙大小為[Y]eV（此處Y為考慮SOC后計算得到的非平庸帶隙數(shù)值，需根據(jù)實際計算結(jié)果填寫），這一非平庸帶隙的出現(xiàn)賦予了異質(zhì)結(jié)一些獨特的物理性質(zhì)，如可能產(chǎn)生量子自旋霍爾效應(yīng)等。這種量子效應(yīng)在未來的低能耗、高速電子器件應(yīng)用中具有巨大的潛力，因為它可以實現(xiàn)無耗散的電子輸運，大大降低器件的能耗，提高器件的運行效率。進一步分析能帶翻轉(zhuǎn)的機制，發(fā)現(xiàn)這與銻化鎵中重元素的強自旋軌道耦合作用密切相關(guān)。在異質(zhì)結(jié)中，銻化鎵的自旋軌道耦合作用通過界面?zhèn)鬟f到石墨烯，使得石墨烯的電子結(jié)構(gòu)也受到影響，從而導致了能帶的翻轉(zhuǎn)和非平庸帶隙的出現(xiàn)。這種能帶結(jié)構(gòu)的變化不僅豐富了對異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的認識，也為設(shè)計和開發(fā)新型的基于量子自旋霍爾效應(yīng)的電子器件提供了理論基礎(chǔ)和材料選擇。2.3.4表面態(tài)與量子自旋霍爾效應(yīng)在研究石墨烯/銻化鎵異質(zhì)結(jié)時，表面態(tài)對其性質(zhì)的影響不可忽視。表面態(tài)是指在材料表面存在的特殊電子態(tài)，它們的存在會顯著影響材料的電學、光學和化學性質(zhì)。在異質(zhì)結(jié)體系中，由于石墨烯和銻化鎵的界面以及表面原子的配位不飽和等原因，導致了表面態(tài)的產(chǎn)生。這些表面態(tài)的電子具有獨特的能量分布和波函數(shù)特征，與體內(nèi)電子態(tài)存在明顯的差異。對于石墨烯/銻化鎵異質(zhì)結(jié)，表面態(tài)的存在對其量子自旋霍爾效應(yīng)產(chǎn)生了重要影響。量子自旋霍爾效應(yīng)是一種基于電子自旋的量子輸運現(xiàn)象，在具有這種效應(yīng)的材料中，電子的自旋與動量之間存在著特定的鎖定關(guān)系，使得電子在邊界上能夠?qū)崿F(xiàn)無耗散的輸運，形成所謂的邊緣態(tài)。在理想情況下，異質(zhì)結(jié)體系如果能夠?qū)崿F(xiàn)完美的量子自旋霍爾效應(yīng)，將為低能耗、高速電子器件的發(fā)展帶來革命性的突破。然而，在實際的石墨烯/銻化鎵異質(zhì)結(jié)中，表面態(tài)的存在卻可能導致量子自旋霍爾效應(yīng)的破壞。具體表現(xiàn)為，表面態(tài)的電子可能會與邊緣態(tài)的電子發(fā)生相互作用，從而導致邊緣態(tài)的電子散射增加，破壞了電子的無耗散輸運特性，使得非平庸帶隙閉合，量子自旋霍爾效應(yīng)無法有效實現(xiàn)。以GaSb/Gr/GaSb異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)為例，由于表面態(tài)的影響，其非平庸帶隙出現(xiàn)了閉合現(xiàn)象，這嚴重影響了該異質(zhì)結(jié)體系在量子自旋霍爾效應(yīng)相關(guān)應(yīng)用中的性能。為了解決這一問題，研究發(fā)現(xiàn)氫原子表面鈍化是一種有效的方法。通過在異質(zhì)結(jié)表面引入氫原子，氫原子可以與表面的不飽和原子形成化學鍵，從而飽和表面原子的配位，減少表面態(tài)的存在。經(jīng)過氫原子表面鈍化處理后，異質(zhì)結(jié)表面態(tài)的電子數(shù)量顯著減少，表面態(tài)與邊緣態(tài)之間的相互作用得到有效抑制，使得非平庸帶隙重新打開，量子自旋霍爾效應(yīng)得以恢復(fù)。通過計算相應(yīng)的納米帶能帶結(jié)構(gòu)和拓撲不變量，可以確定該異質(zhì)結(jié)體系在經(jīng)過氫原子表面鈍化后具有良好的量子自旋霍爾效應(yīng)特性，為基于該異質(zhì)結(jié)的量子器件的設(shè)計和制備提供了重要的技術(shù)支持。2.3.5垂直應(yīng)變對帶隙和輸運性質(zhì)的影響垂直應(yīng)變是調(diào)控石墨烯/銻化鎵異質(zhì)結(jié)性能的一種重要手段，對其帶隙和輸運性質(zhì)有著顯著的影響。當對異質(zhì)結(jié)施加垂直應(yīng)變時，異質(zhì)結(jié)的晶格結(jié)構(gòu)會發(fā)生明顯的改變，進而導致其電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)發(fā)生相應(yīng)的變化。在帶隙方面，隨著垂直應(yīng)變的施加，異質(zhì)結(jié)的帶隙呈現(xiàn)出明顯的變化趨勢。當施加拉伸應(yīng)變時，異質(zhì)結(jié)中石墨烯和銻化鎵之間的原子間距增大，界面處的電子相互作用減弱，這使得帶隙逐漸增大。相反，當施加壓縮應(yīng)變時，原子間距減小，電子相互作用增強，帶隙則會減小。通過精確的第一性原理計算，得到了不同垂直應(yīng)變下異質(zhì)結(jié)帶隙的變化曲線。例如，當垂直應(yīng)變?yōu)閇具體拉伸應(yīng)變值1]時，帶隙增大至[對應(yīng)帶隙值1]；當垂直應(yīng)變?yōu)閇具體壓縮應(yīng)變值1]時，帶隙減小至[對應(yīng)帶隙值2]。這種帶隙隨垂直應(yīng)變的可調(diào)控性，為設(shè)計具有特定帶隙的半導體器件提供了重要的途徑。在輸運性質(zhì)方面，垂直應(yīng)變同樣對異質(zhì)結(jié)產(chǎn)生了重要影響。隨著垂直應(yīng)變的變化，異質(zhì)結(jié)的載流子遷移率和電導率等輸運參數(shù)發(fā)生改變。在拉伸應(yīng)變下，由于原子間距的增大，晶格振動對載流子的散射作用減弱，使得載流子遷移率有所提高；同時，帶隙的增大也會影響載流子的濃度和分布，從而進一步影響電導率。在壓縮應(yīng)變下，情況則較為復(fù)雜，原子間距的減小可能會導致電子云的重疊增強，引入新的散射機制，同時帶隙的減小也會改變載流子的輸運特性。通過非平衡格林函數(shù)方法計算了不同垂直應(yīng)變下體系的輸運性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)armchair邊界納米帶（以石墨烯邊界為參考）在一定垂直應(yīng)變范圍內(nèi)表現(xiàn)出更好的輸運性能。例如，在垂直應(yīng)變?yōu)閇最佳應(yīng)變值]時，armchair邊界納米帶的電導率達到最大值[最大電導率值]，這表明通過合理調(diào)控垂直應(yīng)變，可以優(yōu)化異質(zhì)結(jié)的輸運性質(zhì)，提高其在電子器件中的應(yīng)用潛力。垂直應(yīng)變對石墨烯/銻化鎵異質(zhì)結(jié)的帶隙和輸運性質(zhì)的影響為其在半導體器件領(lǐng)域的應(yīng)用提供了廣闊的前景。通過精確控制垂直應(yīng)變，可以實現(xiàn)對異質(zhì)結(jié)帶隙和輸運性質(zhì)的精準調(diào)控，從而滿足不同電子器件對材料性能的需求。在未來的研究中，可以進一步探索垂直應(yīng)變與其他調(diào)控手段（如電場、摻雜等）的協(xié)同作用，以實現(xiàn)對異質(zhì)結(jié)性能的更全面、更深入的調(diào)控，推動基于石墨烯/銻化鎵異質(zhì)結(jié)的新型電子器件的發(fā)展。三、鉍烯的結(jié)構(gòu)與生長研究3.1鉍烯的結(jié)構(gòu)特性3.1.1鉍烯的晶體結(jié)構(gòu)鉍烯具有獨特且復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，這是其展現(xiàn)出優(yōu)異物理性質(zhì)的重要基礎(chǔ)。從晶體結(jié)構(gòu)來看，鉍烯存在多種不同的相，其中α相和β相是較為常見且研究較多的兩種相。α相鉍烯呈現(xiàn)出類似于蜂窩狀的結(jié)構(gòu)，原子排列成六方晶格，層間通過較弱的范德華力相互作用。在這種結(jié)構(gòu)中，鉍原子并非處于同一平面，而是具有一定的起伏，形成了類似“波浪形”的結(jié)構(gòu)，這種起伏結(jié)構(gòu)賦予了α相鉍烯一些獨特的物理性質(zhì)，如較大的層間通道，有利于離子的脫嵌和傳輸。其晶格參數(shù)方面，晶格常數(shù)a和b約為4.58-4.64?，這種特定的晶格常數(shù)決定了其原子間的距離和相互作用強度，對鉍烯的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。β相鉍烯同樣具有褶皺的層狀晶體結(jié)構(gòu)，由六元環(huán)組成。與α相相比，β相鉍烯的原子排列方式和結(jié)構(gòu)特點存在一定差異。β相鉍烯的帶隙約為0.99eV（不同計算方法和實驗條件下可能略有差異），這一相對較大的帶隙使其在半導體器件應(yīng)用中具有潛在優(yōu)勢。β相鉍烯的晶格結(jié)構(gòu)和原子間相互作用決定了其電子態(tài)的分布和電子的運動特性，進而影響其電學、光學等物理性質(zhì)。在β相鉍烯中，原子的特定排列方式使得電子在其中的傳輸具有一定的方向性和選擇性，這為其在電子學領(lǐng)域的應(yīng)用提供了獨特的性能基礎(chǔ)。鉍烯還存在一些其他的相和結(jié)構(gòu)變體，如對稱搓衣板相（w-Bi）和不對稱搓衣板相（aw-Bi）等。這些不同的相和結(jié)構(gòu)變體具有各自獨特的原子排列方式和晶格參數(shù)，導致它們的物理性質(zhì)也有所不同。對稱搓衣板相和不對稱搓衣板相鉍烯在電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)上與α相和β相鉍烯存在差異，它們在光電、儲能、熱電等領(lǐng)域展現(xiàn)出不同的應(yīng)用潛力。這些不同相的鉍烯的存在，豐富了鉍烯材料的研究體系，為探索其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用提供了更多的可能性。3.1.2電子結(jié)構(gòu)與能帶特性鉍烯的電子結(jié)構(gòu)和能帶特性是其重要的物理性質(zhì)，對其在電子學、光電器件等領(lǐng)域的應(yīng)用具有關(guān)鍵影響。從電子結(jié)構(gòu)來看，鉍烯具有獨特的電子云分布和電子態(tài)特征。在鉍烯中，由于原子的特定排列方式和電子間的相互作用，電子云呈現(xiàn)出一定的分布規(guī)律。在α相鉍烯中，由于其“波浪形”的結(jié)構(gòu)，電子云在層間和平面內(nèi)的分布存在差異，這種差異導致了電子在不同方向上的運動特性不同，進而影響其電學性能。在能帶特性方面，鉍烯的能帶結(jié)構(gòu)具有明顯的特征。β相鉍烯具有約0.99eV的帶隙，這使其表現(xiàn)出半導體特性。在這種半導體能帶結(jié)構(gòu)中，價帶和導帶之間存在一定的能量間隔，即帶隙。電子需要獲得足夠的能量才能從價帶躍遷到導帶，從而參與導電過程。這種帶隙特性使得鉍烯在半導體器件中具有潛在的應(yīng)用價值，如可用于制備晶體管、二極管等器件。與塊體材料相比，鉍烯的電子結(jié)構(gòu)和能帶特性存在顯著差異。在塊體鉍材料中，由于原子間的相互作用較強，電子的運動受到更多的限制，其能帶結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜。而鉍烯由于其二維結(jié)構(gòu)，量子限域效應(yīng)顯著，電子的運動主要限制在二維平面內(nèi)，這導致其電子結(jié)構(gòu)和能帶特性發(fā)生了明顯的變化。鉍烯的帶隙相對塊體材料有所增大，這是由于量子限域效應(yīng)使得電子的能量量子化更加明顯，價帶和導帶之間的能量間隔增大。這種差異使得鉍烯在一些應(yīng)用中具有獨特的優(yōu)勢，如在低功耗電子器件中，鉍烯的較大帶隙可以減少電子的熱激發(fā)，降低器件的漏電流，提高器件的性能和穩(wěn)定性。鉍烯的電子結(jié)構(gòu)和能帶特性還具有一定的可調(diào)制性。通過施加外部電場、與襯底相互作用、摻雜等方式，可以有效地改變鉍烯的電子結(jié)構(gòu)和能帶特性。施加外部電場可以改變鉍烯中電子的能量分布和運動狀態(tài)，從而實現(xiàn)對其帶隙和電學性能的調(diào)控；與襯底相互作用可以通過界面電荷轉(zhuǎn)移和晶格匹配等方式影響鉍烯的電子結(jié)構(gòu)；摻雜則可以引入雜質(zhì)能級，改變鉍烯的載流子濃度和導電類型。這種可調(diào)制性為鉍烯在電子學和光電器件中的應(yīng)用提供了更多的靈活性和可能性，使得研究人員可以根據(jù)實際需求設(shè)計和制備具有特定性能的鉍烯基器件。3.1.3與其他二維材料的結(jié)構(gòu)對比將鉍烯與其他常見二維材料進行結(jié)構(gòu)對比，能夠更清晰地認識鉍烯的獨特性和優(yōu)勢。與石墨烯相比，二者在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上存在顯著差異。石墨烯是由單層碳原子組成的六角蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，其原子處于同一平面，結(jié)構(gòu)高度對稱。這種結(jié)構(gòu)使得石墨烯具有零帶隙的特性，電子在其中具有極高的遷移率，呈現(xiàn)出優(yōu)異的電學性能。而鉍烯具有一定的帶隙，如β相鉍烯的帶隙約為0.99eV，這一特性使得鉍烯在半導體器件應(yīng)用中具有獨特的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)對電子的有效控制，彌補了石墨烯零帶隙在某些應(yīng)用中的不足。在結(jié)構(gòu)上，鉍烯的原子具有起伏，形成了類似“波浪形”的結(jié)構(gòu)，而石墨烯原子平面平整，這種結(jié)構(gòu)差異導致了它們在力學、電學和光學等性質(zhì)上的不同。與二硫化鉬（MoS2）相比，鉍烯和MoS2也具有各自的特點。MoS2是由硫原子和鉬原子組成的層狀結(jié)構(gòu)，每層由一個鉬原子層和兩個硫原子層通過共價鍵結(jié)合而成，層間通過范德華力相互作用。在能帶結(jié)構(gòu)方面，MoS2的單層為直接帶隙半導體，帶隙約為1.8eV，而塊體為間接帶隙半導體。鉍烯的能帶結(jié)構(gòu)和帶隙大小與MoS2不同，這使得它們在光電器件應(yīng)用中具有不同的性能表現(xiàn)。在光學性質(zhì)上，MoS2由于其直接帶隙特性，在光吸收和發(fā)光方面具有獨特的優(yōu)勢，可用于制備光電探測器、發(fā)光二極管等光電器件；而鉍烯雖然帶隙與MoS2不同，但在某些特定波長范圍內(nèi)也具有良好的光電響應(yīng)特性，在光電器件領(lǐng)域也展現(xiàn)出一定的應(yīng)用潛力。與黑磷相比，鉍烯和黑磷在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上也存在差異。黑磷具有類似于石墨的層狀結(jié)構(gòu)，但與石墨不同的是，黑磷的層與層之間是通過較弱的范德華力相互作用，而層內(nèi)原子之間通過共價鍵連接，形成了具有一定起伏的褶皺結(jié)構(gòu)。黑磷具有較高的載流子遷移率和明顯的各向異性電學特性，其在不同方向上的電導率存在差異。鉍烯的載流子遷移率和電學各向異性與黑磷有所不同，鉍烯在某些方向上的載流子遷移率較高，能夠保證電子在其中的高效傳輸。在應(yīng)用方面，黑磷由于其各向異性電學特性，在高性能電子和光電子器件中具有潛在應(yīng)用；鉍烯則因其獨特的結(jié)構(gòu)和電學性質(zhì)，在傳感器、半導體器件等領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)勢。鉍烯與其他常見二維材料在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上的差異，使得鉍烯在不同領(lǐng)域具有獨特的應(yīng)用潛力。這些差異為材料科學研究提供了豐富的研究對象，也為開發(fā)新型高性能材料和器件提供了更多的選擇和可能性。通過對不同二維材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進行深入研究和對比分析，可以更好地理解二維材料的物理特性，為二維材料的應(yīng)用開發(fā)提供堅實的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。3.2鉍烯在不同襯底上的生長規(guī)律3.2.1鉍在Cu（111）襯底上的生長在研究鉍在Cu（111）襯底上的生長過程中，借助第一性原理計算和分子動力學模擬等先進手段，深入剖析鉍原子在銅表面的吸附和生長行為。通過對鉍團簇（Bi_n，n=1～8）吸附結(jié)構(gòu)的細致研究，發(fā)現(xiàn)鉍原子在Cu（111）表面呈現(xiàn)出獨特的生長模式。鉍原子傾向于通過形成周期性的之字形鏈來構(gòu)建鉍（110）單層，這種生長模式是由鉍原子與襯底之間的相互作用以及鉍原子自身的原子間相互作用共同決定的。在形成之字形鏈的過程中，鉍原子通過調(diào)整自身的位置和取向，以達到能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)，從而實現(xiàn)鉍（110）單層的逐步生長。在低溫環(huán)境下，當溫度低于60K時，兩層鉍（110）單層能夠進一步相互作用，形成表面平坦的鉍烯結(jié)構(gòu)（Fα-Bi），并穩(wěn)定地吸附在銅表面。這種表面平坦的鉍烯結(jié)構(gòu)具有獨特的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，其原子排列緊密有序，電子云分布均勻，使得Fα-Bi在某些應(yīng)用中展現(xiàn)出潛在的優(yōu)勢。然而，當Fα-Bi脫離襯底后，由于失去了襯底的支撐和相互作用，其結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，形成表面變形的鉍烯結(jié)構(gòu)（Dα-Bi）。這種結(jié)構(gòu)變化是由于鉍原子之間的相互作用在沒有襯底的約束下重新調(diào)整，導致原子的位置和排列方式發(fā)生改變，從而使鉍烯的表面形態(tài)從平坦變?yōu)樽冃巍榱松钊肓私釪α-Bi的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，采用基于第一性原理的分子動力學模擬方法進行研究。模擬結(jié)果表明，Dα-Bi在高達450K的溫度下仍能保持良好的穩(wěn)定性。在這個溫度范圍內(nèi)，盡管原子的熱運動加劇，但鉍原子之間的化學鍵以及原子間的相互作用能夠有效地抵抗熱擾動，維持Dα-Bi的結(jié)構(gòu)完整性。這種較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性使得Dα-Bi在一些高溫環(huán)境下的應(yīng)用中具有潛在的價值，為其在高溫電子器件、高溫傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能性。3.2.2鉍烯結(jié)構(gòu)的形成與穩(wěn)定性在Cu（111）襯底上，鉍烯結(jié)構(gòu)的形成是一個復(fù)雜且有序的過程，涉及到鉍原子的吸附、擴散、成核和生長等多個階段。最初，鉍原子在襯底表面隨機吸附，隨著吸附原子數(shù)量的增加，原子之間開始相互作用，形成小的團簇。這些團簇通過不斷地吸附周圍的原子，逐漸長大并開始融合，形成更大的團簇。在這個過程中，鉍原子的擴散起到了關(guān)鍵作用，它使得原子能夠在襯底表面移動，尋找更穩(wěn)定的吸附位置，從而促進團簇的生長和融合。當鉍原子的覆蓋度達到一定程度時，鉍原子開始在襯底表面形成有序的原子層。在形成鉍（110）單層的過程中，鉍原子通過形成周期性的之字形鏈來實現(xiàn)原子的有序排列。這種有序排列方式使得鉍原子之間的相互作用達到最優(yōu)，從而形成穩(wěn)定的鉍（110）單層結(jié)構(gòu)。隨著鉍原子的繼續(xù)沉積，第二層鉍（110）單層在第一層的基礎(chǔ)上逐漸生長，兩層之間通過范德華力相互作用，最終形成表面平坦的鉍烯結(jié)構(gòu)（Fα-Bi）。鉍烯結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受到多種因素的影響。襯底與鉍原子之間的相互作用強度對鉍烯的穩(wěn)定性起著重要作用。在Cu（111）襯底上，鉍原子與銅原子之間存在一定的相互作用，這種相互作用能夠穩(wěn)定鉍烯在襯底上的吸附。當鉍烯脫離襯底后，其穩(wěn)定性主要取決于鉍原子之間的相互作用。鉍原子之間通過化學鍵相互連接，形成穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。在多層鉍（110）層中，偶數(shù)層的鉍（110）多層比奇數(shù)層的鉍（110）多層更加穩(wěn)定。這是因為在偶數(shù)層結(jié)構(gòu)中，鉍原子的電子云分布更加均勻，原子之間的相互作用更加平衡，使得結(jié)構(gòu)的能量更低，穩(wěn)定性更高。而在奇數(shù)層結(jié)構(gòu)中，由于原子排列的不對稱性，導致電子云分布不均勻，原子之間的相互作用存在一定的不平衡，從而使得結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性相對較低。3.2.3鉍在MoTe2襯底上的生長在研究鉍原子在MoTe2襯底上的生長時，重點關(guān)注其初始成核和生長過程中的形成能變化。通過第一性原理計算和分子動力學模擬，深入分析鉍原子在MoTe2表面的行為。在鉍原子較少的情況下，鉍原子傾向于在MoTe2表面形成不同多面體的小團簇。這是因為在低原子濃度下，鉍原子之間的相互作用較弱，而鉍原子與MoTe2襯底表面的相互作用相對較強，使得鉍原子更傾向于在襯底表面聚集形成小團簇，以降低體系的能量。這些小團簇的形成是鉍原子在襯底上生長的初始階段，它們的大小、形狀和分布對后續(xù)鉍烯的生長具有重要影響。隨著鉍原子數(shù)量的增加，鉍團簇和鉍層狀的形成能差值成為決定鉍原子生長模式的關(guān)鍵因素。當鉍原子數(shù)達到特定值時，鉍原子開始形成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的鉍（111）層狀。這是因為在這個階段，鉍原子之間的相互作用逐漸增強，形成層狀結(jié)構(gòu)能夠使鉍原子之間的相互作用達到最優(yōu)，從而降低體系的能量，使鉍（111）層狀結(jié)構(gòu)變得更加穩(wěn)定。鉍原子在形成層狀結(jié)構(gòu)時，會通過調(diào)整自身的位置和取向，與周圍的鉍原子形成穩(wěn)定的化學鍵，從而構(gòu)建出有序的鉍（111）層狀結(jié)構(gòu)。鉍原子在MoTe2襯底上的生長過程還受到溫度、壓強等外界因素的影響。在較高溫度下，鉍原子的擴散速率增加，這使得鉍原子能夠更容易地在襯底表面移動，尋找更穩(wěn)定的吸附位置，從而促進鉍團簇的生長和融合，加速鉍（111）層狀結(jié)構(gòu)的形成。而在較低溫度下，鉍原子的擴散速率降低，生長過程相對緩慢，可能導致鉍團簇的生長不均勻，影響鉍（111）層狀結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。壓強的變化也會對鉍原子的生長產(chǎn)生影響，適當?shù)膲簭娍梢愿淖冦G原子與襯底之間的相互作用，以及鉍原子之間的相互作用，從而影響鉍原子的吸附、擴散和生長行為。3.2.4鉍（111）層狀結(jié)構(gòu)的生長預(yù)測通過分子動力學模擬，對鉍（111）在MoTe2襯底上的層狀結(jié)構(gòu)生長進行了深入研究和預(yù)測。模擬結(jié)果表明，鉍（111）在MoTe2上具備直接生長的可能性。在生長過程中，鉍原子會在MoTe2襯底表面逐漸沉積并相互作用，按照一定的規(guī)律排列形成鉍（111）層狀結(jié)構(gòu)。在初始階段，鉍原子在襯底表面隨機吸附，形成小的團簇。隨著原子數(shù)量的增加，這些團簇逐漸融合，形成更大的團簇，并開始在襯底表面擴展。在擴展過程中，鉍原子會不斷調(diào)整自身的位置和取向，以達到能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)，從而形成有序的鉍（111）層狀結(jié)構(gòu)。鉍（111）與MoTe2之間形成的“第二類型”能帶結(jié)構(gòu)，為其在光電器件設(shè)計中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在這種能帶結(jié)構(gòu)中，電子和空穴能夠?qū)崿F(xiàn)有效的分離，這一特性對于光電器件的性能提升具有重要意義。在光電探測器中，“第二類型”能帶結(jié)構(gòu)可以使光生載流子（電子和空穴）快速分離，減少復(fù)合概率，從而提高探測器的響應(yīng)速度和靈敏度。在發(fā)光二極管中，這種能帶結(jié)構(gòu)能夠促進電子和空穴的復(fù)合，提高發(fā)光效率，為制備高性能的光電器件提供了新的材料選擇和設(shè)計思路。鉍（111）層狀結(jié)構(gòu)在其他領(lǐng)域也具有潛在的應(yīng)用價值。由于其獨特的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，鉍（111）層狀結(jié)構(gòu)在傳感器領(lǐng)域可用于制備高靈敏度的氣體傳感器，利用其對特定氣體分子的吸附和電學響應(yīng)特性，實現(xiàn)對環(huán)境中有害氣體的快速檢測；在能源存儲領(lǐng)域，鉍（111）層狀結(jié)構(gòu)可能具有良好的離子存儲和傳輸性能，有望應(yīng)用于新型電池和超級電容器的研發(fā)，提高能源存儲設(shè)備的性能和效率。未來的研究可以進一步探索鉍（111）層狀結(jié)構(gòu)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，通過優(yōu)化生長條件和結(jié)構(gòu)設(shè)計，充分發(fā)揮其獨特的性能優(yōu)勢，為相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展提供支持。3.3鉍烯生長的影響因素3.3.1襯底與鉍原子的相互作用襯底與鉍原子之間的相互作用對鉍烯的生長起著至關(guān)重要的作用，這種相互作用從原子層面影響著鉍烯的生長模式、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及電子性質(zhì)。在鉍烯生長過程中，襯底與鉍原子之間的相互作用主要包括范德華力、化學鍵合以及晶格匹配等方面。范德華力是一種較弱的分子間作用力，它在鉍原子與襯底的初始吸附過程中發(fā)揮著重要作用。當鉍原子在襯底表面沉積時，范德華力使得鉍原子能夠在襯底表面穩(wěn)定吸附，為后續(xù)的生長過程奠定基礎(chǔ)。在某些襯底上，范德華力的大小和分布會影響鉍原子的吸附位置和吸附取向，從而決定了鉍原子的初始成核位置和生長方向。如果范德華力在襯底表面分布不均勻，鉍原子可能會優(yōu)先在范德華力較強的區(qū)域吸附成核，導致鉍烯生長的不均勻性?；瘜W鍵合則是一種較強的相互作用，當鉍原子與襯底之間能夠形成化學鍵時，會對鉍烯的生長產(chǎn)生更為顯著的影響。在一些情況下，鉍原子與襯底原子之間可以形成共價鍵或離子鍵，這種化學鍵的形成會改變鉍原子的電子云分布，進而影響鉍原子之間的相互作用以及鉍烯的生長模式。在某些金屬襯底上，鉍原子與襯底金屬原子之間可能形成金屬鍵，這種金屬鍵的存在會增強鉍原子與襯底的結(jié)合力，使得鉍原子在襯底表面的擴散和遷移受到一定的限制，從而影響鉍烯的生長速率和晶體結(jié)構(gòu)。晶格匹配是襯底與鉍原子相互作用的另一個重要方面。襯底的晶格常數(shù)和晶體結(jié)構(gòu)與鉍烯的晶格常數(shù)和晶體結(jié)構(gòu)之間的匹配程度，會影響鉍烯在襯底上的生長取向和晶體質(zhì)量。當襯底與鉍烯的晶格匹配度較高時，鉍原子在襯底表面的生長能夠更好地遵循襯底的晶格結(jié)構(gòu)，從而形成高質(zhì)量、取向一致的鉍烯晶體。在晶格匹配度高的情況下，鉍原子在襯底表面的成核和生長過程中，原子之間的排列更加有序，缺陷密度更低，有利于形成大面積、高質(zhì)量的鉍烯薄膜。相反，如果晶格匹配度較差，鉍原子在生長過程中會產(chǎn)生較大的晶格應(yīng)力，導致晶體缺陷的增加，影響鉍烯的質(zhì)量和性能。在實際生長過程中，襯底與鉍原子的相互作用是一個復(fù)雜的過程，各種相互作用因素相互影響、相互制約。在研究鉍在Cu（111）襯底上的生長時，發(fā)現(xiàn)鉍原子通過形成周期性的之字形鏈來構(gòu)建鉍（110）單層，這種生長模式與鉍原子和Cu（111）襯底之間的相互作用密切相關(guān)。鉍原子與Cu（111）襯底之間的范德華力和化學鍵合作用，共同決定了鉍原子在襯底表面的吸附位置和擴散行為，從而導致了鉍（110）單層的形成。同時，襯底與鉍原子的相互作用還會影響鉍烯的電子結(jié)構(gòu)，進而影響其電學、光學等物理性質(zhì)。因此，深入研究襯底與鉍原子的相互作用機制，對于實現(xiàn)鉍烯的高質(zhì)量、可控生長具有重要意義。3.3.2溫度、原子濃度等條件的作用溫度和原子濃度等生長條件對鉍烯的生長具有顯著影響，這些條件的變化會直接影響鉍原子的運動狀態(tài)、擴散速率以及化學反應(yīng)活性，從而對鉍烯的生長速率、質(zhì)量和晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要作用。溫度是鉍烯生長過程中的一個關(guān)鍵因素。在較低溫度下，鉍原子的熱運動能量較低，其在襯底表面的擴散速率較慢。這使得鉍原子在吸附到襯底表面后，難以快速移動到能量更低的穩(wěn)定位置，從而導致鉍烯的生長速率較慢。較低的溫度還可能導致鉍原子在襯底表面的成核密度較低，形成的鉍烯晶體尺寸較小，且晶體中的缺陷較多。在一些實驗中，當生長溫度較低時，鉍原子在襯底表面的吸附和擴散過程較為緩慢，鉍原子容易在局部區(qū)域聚集形成小的團簇，這些團簇之間的融合和生長也較為困難，從而影響了鉍烯的質(zhì)量和均勻性。隨著溫度的升高，鉍原子的熱運動能量增加，擴散速率加快。這使得鉍原子能夠更快速地在襯底表面移動，尋找更穩(wěn)定的吸附位置，從而促進鉍烯的生長。較高的溫度還可以提高鉍原子的化學反應(yīng)活性，使得鉍原子之間的化學鍵合更容易發(fā)生，有利于形成高質(zhì)量的鉍烯晶體。在適當?shù)母邷叵拢G原子在襯底表面的擴散速率加快，能夠更均勻地分布在襯底表面，形成的鉍烯晶體尺寸較大，且晶體中的缺陷較少，質(zhì)量更高。然而，溫度過高也會帶來一些負面影響。過高的溫度可能導致鉍原子的蒸發(fā)速率增加，使得鉍原子在襯底表面的沉積量減少，從而影響鉍烯的生長速率和厚度。過高的溫度還可能導致鉍烯晶體的熱應(yīng)力增加，引起晶體的變形和缺陷的產(chǎn)生，甚至可能導致鉍烯晶體的分解。在高溫下，鉍原子的蒸發(fā)速率加快，使得襯底表面的鉍原子濃度難以維持在合適的水平，從而影響了鉍烯的生長。高溫還可能導致鉍烯晶體中的原子熱振動加劇，使得晶體中的缺陷增多，影響了鉍烯的性能。原子濃度也是影響鉍烯生長的重要因素。當原子濃度較低時，鉍原子在襯底表面的分布較為稀疏，鉍原子之間的相互作用較弱。這使得鉍原子在襯底表面主要以單個原子或小團簇的形式存在，鉍烯的生長主要通過單個原子或小團簇的擴散和聚集來實現(xiàn)，生長速率較慢。在原子濃度較低的情況下，鉍原子在襯底表面的成核密度較低，形成的鉍烯晶體尺寸較小，且晶體的生長過程較為緩慢。隨著原子濃度的增加，鉍原子在襯底表面的分布變得更加密集，鉍原子之間的相互作用增強。這使得鉍原子更容易形成較大的團簇，并且團簇之間的融合和生長速度加快，從而提高了鉍烯的生長速率。在較高的原子濃度下，鉍原子在襯底表面能夠快速形成較大的團簇，這些團簇之間能夠迅速融合，形成連續(xù)的鉍烯薄膜，生長速率明顯提高。但原子濃度過高也會帶來一些問題。過高的原子濃度可能導致鉍原子在襯底表面的堆積過快，使得鉍烯晶體的生長過程難以控制，容易形成多晶或非晶結(jié)構(gòu)，降低鉍烯的質(zhì)量。過高的原子濃度還可能導致鉍原子之間的相互作用過于強烈，形成的鉍烯晶體中存在較大的內(nèi)應(yīng)力，影響晶體的穩(wěn)定性和性能。在原子濃度過高時，鉍原子在襯底表面的堆積速度過快，難以形成有序的晶體結(jié)構(gòu)，從而降低了鉍烯的質(zhì)量和性能。四、鉍烯的制備方法與應(yīng)用探索4.1鉍烯的制備方法4.1.1物理氣相沉積法物理氣相沉積法（PVD）是一種在高真空環(huán)境下，通過物理手段將鉍原子從固態(tài)源蒸發(fā)或濺射出來，使其在襯底表面沉積并生長形成鉍烯的制備方法。其原理基于物質(zhì)的氣相傳輸和沉積過程，在高真空條件下，鉍原子或分子具有較高的平均自由程，能夠在氣相中自由運動，當它們到達襯底表面時，會被襯底表面的原子捕獲，從而在襯底上沉積并逐漸生長。該方法通常使用的設(shè)備包括真空系統(tǒng)、蒸發(fā)源或濺射源以及襯底加熱和冷卻裝置等。在蒸發(fā)源方面，常用的有電阻蒸發(fā)源、電子束蒸發(fā)源等。電阻蒸發(fā)源是通過電流通過電阻絲產(chǎn)生熱量，使鉍材料受熱蒸發(fā)；電子束蒸發(fā)源則是利用高能電子束轟擊鉍材料，使其蒸發(fā)。在濺射源方面，主要采用磁控濺射技術(shù)，通過在靶材（鉍靶）表面施加磁場，使氬離子在電場和磁場的作用下加速轟擊靶材，將鉍原子從靶材表面濺射出來。襯底加熱裝置用于控制襯底的溫度，以促進鉍原子在襯底表面的擴散和生長；冷卻裝置則用于在生長過程中或生長結(jié)束后，快速降低襯底溫度，以固定鉍烯的結(jié)構(gòu)。在工藝過程中，首先將襯底放置在真空室內(nèi)的加熱臺上，并將真空室抽至高真空狀態(tài)，通常真空度達到10??-10??Pa。然后，根據(jù)所需的生長條件，將襯底加熱到適當?shù)臏囟龋话阍趲装贁z氏度左右。接著，開啟蒸發(fā)源或濺射源，使鉍原子或分子蒸發(fā)或濺射出來，并在氣相中傳輸?shù)揭r底表面。鉍原子在襯底表面吸附后，會在襯底表面擴散，尋找合適的位置進行成核和生長。隨著鉍原子的不斷沉積，鉍烯逐漸在襯底表面生長形成。在生長過程中，可以通過控制蒸發(fā)源或濺射源的功率、襯底溫度、生長時間等參數(shù)，精確控制鉍烯的生長層數(shù)、厚度和質(zhì)量。物理氣相沉積法具有諸多優(yōu)點。由于在高真空環(huán)境下進行生長，能夠有效避免雜質(zhì)的引入，從而制備出高質(zhì)量、高純度的鉍烯。該方法可以精確控制鉍原子的沉積速率和生長位置，實現(xiàn)對鉍烯生長層數(shù)和厚度的精確調(diào)控，能夠滿足不同應(yīng)用場景對鉍烯結(jié)構(gòu)和性能的要求。這種精確的控制能力使得物理氣相沉積法在制備高精度的電子器件和傳感器等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值。然而，物理氣相沉積法也存在一些缺點。設(shè)備昂貴，需要高真空系統(tǒng)、蒸發(fā)源或濺射源等復(fù)雜設(shè)備，設(shè)備的購置和維護成本較高，這限制了其大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的應(yīng)用。制備過程需要在高真空環(huán)境下進行，生產(chǎn)效率較低，產(chǎn)量有限，難以滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需求。物理氣相沉積法通常只能在特定的襯底上生長鉍烯，襯底的選擇范圍相對較窄，這也在一定程度上限制了其應(yīng)用的廣泛性。4.1.2液相剝離法液相剝離法是一種基于溶液體系的制備方法，其原理是利用超聲波的能量克服鉍原子層間的范德華力，將塊狀鉍材料剝離成單層或多層的鉍烯。在該方法中，首先將塊狀鉍材料加入到合適的溶劑中，形成鉍材料的懸浮液。然后，將懸浮液置于超聲波發(fā)生器中，在超聲波的作用下，溶液中的鉍材料受到高頻振動和空化作用的影響?？栈饔脮谌芤褐挟a(chǎn)生微小的氣泡，這些氣泡在超聲波的作用下迅速膨脹和破裂，產(chǎn)生強烈的沖擊波和微射流，對鉍材料施加巨大的剪切力，從而使鉍原子層間的范德華力被克服，鉍材料逐漸被剝離成薄片。隨著剝離過程的進行，鉍烯薄片在溶液中逐漸分散，形成鉍烯的分散液。在制備過程中，溶劑的選擇至關(guān)重要。常用的溶劑包括異丙醇、N-甲基吡咯烷酮（NMP）、水等。不同的溶劑對鉍烯的剝離效果和穩(wěn)定性有不同的影響。異丙醇具有較低的表面張力和良好的溶解性，能夠有效地分散鉍烯薄片，且對鉍烯的化學穩(wěn)定性影響較小；NMP具有較強的溶解性和較高的沸點，能夠在一定程度上促進鉍烯的剝離，但由于其毒性較大，在實際應(yīng)用中需要謹慎處理；水是一種綠色環(huán)保的溶劑，但由于鉍烯在水中的穩(wěn)定性較差，容易發(fā)生團聚和氧化，因此通常需要添加表面活性劑或進行表面修飾來提高鉍烯在水中的穩(wěn)定性。為了提高剝離效率和質(zhì)量，還可以在溶液中添加表面活性劑。表面活性劑分子具有親水性和疏水性的兩端，能夠在鉍烯薄片和溶劑之間形成界面，降低界面張力，從而促進鉍烯薄片的分散和穩(wěn)定。表面活性劑還可以通過與鉍烯表面的原子相互作用，改變鉍烯的表面性質(zhì)，進一步提高鉍烯在溶液中的穩(wěn)定性。液相剝離法在制備高質(zhì)量鉍烯方面具有顯著優(yōu)勢。該方法操作簡單，不需要復(fù)雜的設(shè)備和高真空環(huán)境，成本相對較低，適合大規(guī)模制備鉍烯。由于在溶液中進行剝離，能夠有效地避免外界雜質(zhì)的引入，從而制備出高質(zhì)量的鉍烯。液相剝離法還可以通過調(diào)整溶劑、表面活性劑和超聲條件等參數(shù)，實現(xiàn)對鉍烯層數(shù)和尺寸的一定程度的調(diào)控。然而，液相剝離法也面臨一些挑戰(zhàn)。制備出的鉍烯質(zhì)量相對較低，層數(shù)分布較寬，難以精確控制鉍烯的層數(shù)和尺寸，這在一定程度上限制了其在對鉍烯質(zhì)量要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用。在剝離過程中，由于超聲波的作用，可能會導致鉍烯薄片產(chǎn)生缺陷，影響鉍烯的電學、光學等性能。鉍烯在溶液中的穩(wěn)定性較差，容易發(fā)生團聚和氧化，需要采取適當?shù)拇胧﹣硖岣咂浞€(wěn)定性，如添加抗氧化劑、進行表面修飾等。4.1.3其他制備方法酸插層法是一種通過將酸分子插入鉍原子層間，削弱層間范德華力，進而實現(xiàn)鉍烯剝離的制備方法。在該方法中，首先將塊狀鉍材料浸泡在濃硫酸等強酸溶液中，酸分子會逐漸擴散進入鉍原子層間，與鉍原子發(fā)生相互作用，形成插層化合物。這種插層化合物的形成使得鉍原子層間的距離增大，范德華力減弱。然后，通過超聲處理或其他機械力的作用，能夠較為容易地將鉍原子層剝離，從而得到鉍烯。酸插層法的優(yōu)點是能夠在一定程度上提高鉍烯的剝離效率，并且可以通過控制酸的濃度、插層時間等參數(shù)來調(diào)節(jié)鉍烯的層數(shù)和質(zhì)量。然而，該方法也存在一些缺點，如在制備過程中可能會引入雜質(zhì)，影響鉍烯的純度和性能；同時，強酸的使用對設(shè)備和操作要求較高，存在一定的安全風險。電化學剝離法是利用電化學原理，在電解液中通過施加電壓，使鉍材料在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而實現(xiàn)鉍烯的剝離。在電化學剝離過程中，將鉍材料作為陽極，另一個電極作為陰極，置于含有電解質(zhì)的溶液中。當施加一定的電壓時，陽極的鉍材料會失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，鉍原子從塊狀材料中脫離進入溶液，在陰極表面得到電子還原成鉍原子，并逐漸沉積形成鉍烯。這種方法的特點是可以通過控制電壓、電流密度、電解液組成等參數(shù)來精確控制鉍烯的生長過程，能夠制備出層數(shù)可控、質(zhì)量較高的鉍烯。電化學剝離法還具有反應(yīng)速度快、產(chǎn)量較大等優(yōu)點。但是，該方法對設(shè)備和工藝要求較高，需要精確控制電化學參數(shù)，否則容易導致鉍烯的質(zhì)量不穩(wěn)定；同時，電解液的選擇和處理也較為關(guān)鍵，不當?shù)碾娊庖嚎赡軙腚s質(zhì)，影響鉍烯的性能。除了上述兩種方法外，還有其他一些制備鉍烯的方法，如分子束外延法（MBE）、化學氣相沉積法（CVD）等。分子束外延法是在超高真空環(huán)境下，將鉍原子束和其他原子束（如襯底原子束）精確地控制在襯底表面，通過原子的逐層生長來制備高質(zhì)量的鉍烯。這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)原子級別的精確控制，制備出的鉍烯質(zhì)量極高，可用于制備高精度的電子器件和研究材料的基礎(chǔ)物理性質(zhì)。但設(shè)備昂貴，制備過程復(fù)雜，產(chǎn)量極低，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。化學氣相沉積法是利用氣態(tài)的鉍源（如三甲基鉍等）在高溫和催化劑的作用下分解，鉍原子在襯底表面沉積并反應(yīng)，從而生長形成鉍烯。該方法可以在較大面積的襯底上生長鉍烯，適合大規(guī)模制備；但生長過程中可能會引入雜質(zhì)，需要嚴格控制反應(yīng)條件來提高鉍烯的質(zhì)量。這些不同的制備方法各有其特點和適用范圍，在實際應(yīng)用中需要根據(jù)具體需求和條件選擇合適的制備方法。4.2鉍烯在光電器件中的應(yīng)用潛力4.2.1鉍烯的光電特性鉍烯展現(xiàn)出獨特而優(yōu)異的光電特性，這些特性使其在光電器件領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。在光吸收方面，鉍烯表現(xiàn)出與傳統(tǒng)材料不同的特性。由于其具有一定的帶隙，如β相鉍烯的帶隙約為0.99eV，這使得鉍烯能夠吸收特定波長范圍內(nèi)的光子能量。當光子能量大于鉍烯的帶隙時，光子能夠激發(fā)鉍烯中的電子從價帶躍遷到導帶，從而產(chǎn)生光生載流子，實現(xiàn)光吸收過程。這種光吸收特性使得鉍烯在光電探測器等光電器件中具有重要應(yīng)用價值。在近紅外光探測器中，鉍烯可以有效地吸收近紅外光，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，其光吸收效率較高，能夠?qū)ξ⑷醯慕t外光信號產(chǎn)生明顯的響應(yīng)，為近紅外光探測提供了一種新的材料選擇。在光發(fā)射方面，鉍烯也展現(xiàn)出獨特的性能。當鉍烯中的光生載流子（電子和空穴）復(fù)合時，會以光子的形式釋放出能量，從而產(chǎn)生光發(fā)射。這種光發(fā)射特性使得鉍烯在發(fā)光二極管等光電器件中具有潛在應(yīng)用。與傳統(tǒng)的發(fā)光材料相比，鉍烯的光發(fā)射具有一些