基于新型二维范德瓦尔斯异质结材料的第一性原理研究
二维材料及其杂化异质结的结构与电子性质的第一性原理研究
二维材料及其杂化异质结的结构与电子性质的第一性原理研究二维材料及其杂化异质结的结构与电子性质的第一性原理研究近年来，二维材料在材料科学领域引起了广泛的关注。
二维材料是指材料中只有两个原子层的薄片，具有独特的结构和性质。
由于其特殊的二维结构，二维材料表现出与体材料截然不同的物理和化学特性。
二维材料在电子学、光学、能源和催化等领域具有潜在的应用价值。
与此同时，将不同的二维材料组合在一起形成杂化异质结，可以进一步调控其性质，并拓宽其应用领域。
在这篇文章中，我们将从第一性原理的角度探讨二维材料及其杂化异质结的结构与电子性质。
首先，我们需要了解二维材料的基本结构和性质。
最早被发现的二维材料是石墨烯，由单层碳原子组成，具有优异的热导率和电导率。
接下来，学界发现了许多其他具有二维结构的材料，如二硫化钼（MoS2）、二硒化硒（Se2）等，它们具有不同的晶体结构和化学性质。
二维材料的晶体结构、晶格常数、原子间距以及晶体方向等参数将直接影响其电子结构和性质。
通过第一性原理计算，我们可以获得二维材料的电子能带结构、态密度和电荷密度等信息。
电子能带结构可以揭示材料的导电性能，而态密度和电荷密度则反映了电子在材料中的分布情况。
这些计算结果对于理解二维材料的电子性质和响应行为非常重要。
随后，我们可以将不同的二维材料通过化学键或物理相互作用的形式组合成杂化异质结。
这种组合可以调控材料的光学、电学、磁学等性质，并产生新的化学反应途径。
例如，将石墨烯和二硫化钼组合形成的异质结具有更高的光电性能和催化活性。
通过第一性原理计算，我们可以研究异质结的结构、能带对齐以及电荷传输等信息，进一步指导杂化异质结的设计和应用。
另一方面，通过调控二维材料的形貌、尺寸和缺陷等因素，也可以对其电子性质进行调节。
例如，在二硫化钼中引入硫空位或金属离子掺杂，可以调整材料的能隙和电子结构。
这些缺陷和掺杂会对二维材料的电荷传输和催化性能产生重要影响。
通过第一性原理模拟，我们可以预测不同缺陷和掺杂对材料性质的影响，并为实验提供指导。
第一篇二维材料范德华异质结的文章
第一篇二维材料范德华异质结的文章
抱歉，我无法提供特定的文章。
然而，以下是关于二维材料范德华异质结的一般介绍：
二维材料是仅有一层原子厚度的材料，具有特殊的电子性质和结构特征。
范德华异质结是由两种不同的二维材料通过范德华力（Van der Waals force）相互堆叠形成的结构。
这种异质结构具有独特的性质，可以在电子输运、光电器件和能源存储等领域中发挥重要作用。
范德华异质结的形成主要依赖于范德华力，这是一种弱吸引力作用力，可以在不同的二维材料之间产生相互吸引的作用。
通过调节不同材料的层数和堆叠序列，可以实现不同的异质结构。
范德华异质结的电子性质通常由两种材料的能带结构决定。
在范德华异质结界面附近，由于能带的重叠和调控，可以出现新的能带结构和能级调控效应。
这些新能带和能级调控可以显著改变材料的电子输运性质，例如调控电子迁移率和载流子浓度。
范德华异质结还可以在光学和光电器件中发挥重要作用。
由于不同材料的光学性质差异，异质结可以实现光学吸收和发射的调控，从而在光电转换和光传感等应用中具有潜在的优势。
范德华异质结是一种具有特殊电子性质和结构特征的二维材料结构。
通过调控范德华力和能带结构，可以实现对电子输运和光学性质的调控，为新型电子器件和光电器件的开发提供了新的思路和途径。
二维材料及其范德瓦尔斯异质结在太赫兹波产生与调制中的应用研究
二维材料及其范德瓦尔斯异质结在太赫兹波产生与调制中的应用研究太赫兹波段相关应用技术的发展离不开对太赫兹波段光电功能器件的设计和优化。
二维材料因其原子级的厚度和相应的独特物理性质,被认为是未来实现小型化、集成化功能器件的优良材料。
而基于二维材料与三维材料相结合的范德瓦尔斯异质结,目前已经被应用于提高传统光电器件的性能。
在太赫兹波段,二维材料以及二维/三维范德瓦尔斯异质结已被用于制备性能优良的太赫兹波调制器,且有望实现高效太赫兹波产生。
基于此,一方面,本文选择二维半金属材料石墨烯以及二维绝缘材料氮化硼,将其分别与硅接触形成多维混合型范德瓦尔斯异质结(Mixed-dimensional van der Waals heterostructure),详细研究了界面的物理过程对太赫兹波产生和调制的增强作用。
另一方面,本文将石墨烯与超材料设计相结合,设计了石墨烯基超材料,利用石墨烯中的表面等离子体增强了石墨烯对太赫兹波的调制。
本文的主要工作和创新性如下:(1)石墨烯/半导体范德瓦尔斯异质结界面中良好的载流子输运特性已经被用于提升传统的电子和光电子器件性能。
然而,传统的界面探测方式对于范德瓦尔斯界面信息的探测能力有限,而且带有一定的损伤性。
基于这个问题,我们提出了一种主动控制范德瓦尔斯异质结界面中太赫兹波产生的方法,并将该方法发展为新型的基于太赫兹界面辐射探测范德瓦尔斯界面光电特性的技术,用于测量石墨烯/二氧化硅/硅界面耗尽层内建电场和界面态中的载流子动力学过程。
通过施加偏压的方法,可实现对太赫兹波产生44%的正向以及70%的反向调控。
基于主动控制太赫兹波产生的光谱技术提供了一个观察界面耗尽、弱反型和强反型状态的途径,通过对强反型界面状态的分析,结合对界面中电场致光整流效应(EFIOR:electric field induced optical rectification)的理解,可以计算出石墨烯/二氧化硅/硅界面的耗尽层内建电场电势为-0.15 V。
二维材料范德华间隙的利用
物 理 化 学 学 报Acta Phys. -Chim. Sin. 2021, 37 (11), 2010051 (1 of 16)Received: October 23, 2020; Revised: November 21, 2020; Accepted: November 23, 2020; Published online: December 1, 2020.*Corresponding author. Email: yongjigong@; Tel.: +86-185********.The project was supported by the National Natural Science Foundation of China (51872012) and the Key Technologies Research and Development Program of China (2018YFA0306900).国家自然科学基金(51872012)和国家重点研发计划(2018YFA0306900)资助项目 © Editorial office of Acta Physico-Chimica Sinica[Review] doi: 10.3866/PKU.WHXB202010051 Utilization of the van der Waals Gap of 2D MaterialsHaifeng Que, Huaning Jiang, Xingguo Wang, Pengbo Zhai, Lingjia Meng, Peng Zhang, Yongji Gong * School of Materials Science and Engineering, Beihang University, Beijing 100191, China.Abstract: Since their discovery, two-dimensional (2D) materials haveattracted significant research attention owing to their excellent andcontrollable physical and chemical properties. These materials haveemerged rapidly as important material system owing to their uniqueproperties such as electricity, optics, quantum properties, and catalyticproperties. 2D materials are mostly bonded by strong ionic or covalentbonds within the layers, and the layers are stacked together by van derWaals forces, thereby making it possible to peel off 2D materials with fewor single layers. The weak interaction between the layers of 2D materialsalso enables the use of van der Waals gaps for regulating the electronicstructure of the system and further optimizing the material properties. Theintroduction of guest atoms can significantly change the interlayer spacing of the original material and coupling strength between the layers. Also, interaction between the guest and host atom also has the potential to change the electronic structure of the original material, thereby affecting the material properties. For example, the electron structure of a host can be modified by interlayer guest atoms, and characteristics such as carrier concentration, optical transmittance, conductivity, and band gap can be tuned. Organic cations intercalated between the layers of 2D materials can produce stable superlattices, which have great potential for developing new electronic and optoelectronic devices. This method enables the modulation of the electrical, magnetic, and optical properties of the original materials, thereby establishing a family of 2D materials with widely adjustable electrical and optical properties. It is also possible to introduce some new properties to the 2D materials, such as magnetic properties and catalytic properties, by the intercalation of guest atoms. Interlayer storage, represented by lithium-ion batteries, is also an important application of 2D van der Waals gap utilization in energy storage, which has also attracted significant research attention. Herein, we review the studies conducted in recent years from the following aspects: (1) changing the layer spacing to change the interlayer coupling; (2) introducing the interaction between guest and host atoms to change the physico-chemical properties of raw materials; (3) introducing the guest substances to obtain new properties; and (4) interlayer energy storage. We systematically describe various interlayer optimization methods of 2D van der Waals gaps and their effects on the physical and chemical properties of synthetic materials, and suggest the direction of further development and utilization of 2D van der Waals gaps.Key Words: Two-dimensional materials; van der Waals gap; Intercalation technology; Interlayer interaction;Performance optimization; Energy storage. All Rights Reserved.二维材料范德华间隙的利用阙海峰，江华宁，王兴国，翟朋博，孟令佳，张鹏，宫勇吉*北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京 100191摘要：二维材料因为其优异且可调的各种物理化学性质自被发现以来就引起了科研工作者的极大关注。
范德瓦尔斯异质结构建模型
范德瓦尔斯异质结构建模型全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：范德瓦尔斯异质结构是一种新型的材料结构，由两种或多种不同的原子层堆叠而成。
它的特性在于在层间和层内的相互作用相对较弱，因此具有许多独特的物理性质。
范德瓦尔斯异质结构最初是由荷兰物理学家范德瓦尔斯提出的，其特点是由非共价键相互作用而形成的。
范德瓦尔斯异质结构在电子学、光电子学、热电子学等领域有着广泛的应用。
它的独特结构和性质为我们提供了一种全新的材料设计思路。
在范德瓦尔斯异质结构中，通过合理设计原子层的排列和选择不同的原材料，可以实现许多优异的电子和光学性能，比如量子点、量子阱、异质结构等。
范德瓦尔斯异质结构的建模是研究这种新型材料的关键。
建模可以帮助我们更深入地了解其内部结构和物理性质，从而为材料的设计和性能优化提供指导。
下面我们将介绍一种常用的范德瓦尔斯异质结构建模方法。
范德瓦尔斯异质结构建模的方法之一是第一性原理计算。
该方法基于量子力学原理，通过求解薛定谔方程来描述材料的电子结构和性质。
通过第一性原理计算，可以计算出材料的能带结构、电子密度分布、原子间相互作用等关键参数，进而预测材料的电子输运性质、光学性能等。
第一性原理计算是一种基于数学和物理的理论方法，需要借助计算机进行大量的计算。
首先需要确定材料的晶体结构，然后建立晶体结构模型，确定原子的位置和化学键的类型。
接着通过求解薛定谔方程，计算出材料的波函数和能带结构。
最后根据得到的结果，分析材料的性质和行为。
除了第一性原理计算外，还可以通过分子动力学模拟、密度泛函理论等方法进行范德瓦尔斯异质结构的建模。
这些方法可以帮助我们更全面地了解材料的结构和性质，为材料的设计和性能优化提供依据。
第二篇示例：范德瓦尔斯异质结构是一种常见的纳米材料，具有多种应用价值，因此其建模研究具有重要意义。
近年来，科学家们通过理论模拟和实验研究，不断探索范德瓦尔斯异质结构的性质和应用，取得了一系列突破性进展。
基于MXene_GaN范德瓦尔斯异质结的光电探测器和LED研究
华中科技大学硕士学位论文摘要二维过渡金属碳化物或氮化物（MXene）是一类新型的二维材料。
自其在2011年首次被Yury Gogotsi等人发现以来，MXene已获得科学界的广泛关注。
因其具有金属导电性、大的比表面积和亲水性等特性，MXene现已被广泛应用于超级电容器、压力传感器、锂离子电池和电磁屏蔽等领域。
然而迄今为止，MXene与传统半导体材料的异质结器件仍鲜有报道，有待进一步研究。
本论文以研究MXene/氮化镓（GaN）范德瓦尔斯异质结的性质并探究其潜在的应用为目的，设计制作了MXene/(n/p)-GaN范德瓦尔斯异质结器件，分别研究了其在光电探测和LED领域的应用。
论文的创新点和主要内容如下：（1）成功制备出MXene纳米片并对其进行了表征。
我们利用盐酸（HCl）和氟化锂（LiF）的混合液刻蚀MAX相，一步合成出单层MXene纳米片的胶体溶液，并通过相关表征证明了我们合成的MXene具有较好的质量。
（2）研制出基于MXene/n-GaN范德瓦尔斯异质结的自驱动光电探测器。
我们采用滴涂法把MXene胶体溶液滴涂在n-GaN基底上，在室温中自然干燥形成MXene/n-GaN范德瓦尔斯异质结后将其制作成光电探测器。
我们研究了MXene溶液浓度对器件性能的影响，发现使用0.05 mg/mL的MXene溶液制作的器件有较好的探测性能。
在入射光功率密度为96.9 μW/cm2的365 nm紫外光源照射下，此器件具有较快的响应速度（60 ms）和回复速度（20 ms）、较高的响应度（44.3 mA/W）和开关比（~11300）。
（3）研制出基于MXene/p-GaN范德瓦尔斯异质结的LED器件。
我们采用滴涂法制作了基于MXene/p-GaN范德瓦尔斯异质结的LED器件，该LED器件在较大的偏压范围内（4 ~ 22 V）都保持着稳定的橙光发射，具有较好的电稳定性和热稳定性。
我们进一步对LED器件在22 V偏压下的电致发光（EL）光谱进行了高斯分峰，并将其分为紫外光（376 nm）、蓝光（436 nm）、橙光（602 nm）以及红光（706 nm）这四个波段。
第一性原理研究
“第一性原理研究”资料合集目录一、二维GeSphosphorene异质结光电性质的第一性原理研究二、过渡金属氧化物电子结构与性质的第一性原理研究三、钴团簇，金团簇和硅纳米线的第一性原理研究四、3d过渡金属掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理研究五、聚变堆第一壁材料氢行为和力学性质的第一性原理研究六、二维半导体材料InSe基范德华异质结的第一性原理研究二维GeSphosphorene异质结光电性质的第一性原理研究随着科技的不断发展，以石墨烯为代表的二维材料在光电领域的应用价值日益显现。
然而，尽管石墨烯的电学和光学性质已经被广泛研究，但其直接带隙小的问题严重阻碍了其在光电设备中的应用。
为了解决这一问题，一种新型的二维材料——GeSphosphorene（GeS磷烯）被提出来作为石墨烯的可能替代品。
GeSphosphorene是一种由硒化锗（GeS）和磷烯（Phosphorene）组成的二维异质结。
这种材料结合了GeS的高载流子迁移率和Phosphorene的大直接带隙特性，使其在光电领域具有巨大的应用潜在本研究中，我们利用第一性原理计算方法，对二维GeSphosphorene 异质结的光电性质进行了深入的研究。
我们构建了不同构型的GeSphosphorene异质结模型，并对其电子结构和光学性质进行了详细的计算和比较。
结果显示，与石墨烯和Phosphorene相比，GeSphosphorene异质结具有显著的优点。
它的直接带隙宽度比石墨烯大得多，可以吸收更高能量的光子，这使得它在高效率的光电设备中有更大的应用潜力。
GeSphosphorene的载流子迁移率也较高，这有利于提高光电设备的运行速度和效率。
我们还发现，通过改变异质结的构型和组成比例，可以进一步优化GeSphosphorene的光电性质。
这一发现为设计具有定制化光电性质的二维材料提供了新的思路。
二维GeSphosphorene异质结在光电领域具有巨大的应用潜力。
二维材料的生长机理与功能性设计的第一性原理研究
二维材料的生长机理与功能性设计的第一性原理研究2004年石墨烯单层被发现并通过机械剥离的方法成功制备,打开了人们探索二维材料新世界的大门。
二维材料的发现在物理、化学、材料等领域引起了广泛关注。
大量二维材料的发现、合成及其特殊的性质为基础科学的研究和探索提供了新的平台,也为功能性材料的设计提供了新的材料载体。
在研究二维材料的诸多奇特性质的过程中,有一些基本问题引起了人们更多的关注,包括低维材料的合成与制备、生长机理、自旋半金属性、电子能隙调控、电子拓扑态和异质结中的性能调控等。
进一步理解或解决这些问题,对于功能性材料的性能调控和应用有着重要意义。
这篇论文使用第一性原理计算和理论分析相结合的方法,对特定二维材料体系的基本性质进行研究、调控和功能性设计。
论文的结构如下:第一章,主要介绍二维材料的种类、共性及其与常规三维材料的区别,二维材料的制备方法和生长机理等。
首先简单介绍二维材料的制备方法和相应的生长机理。
其次介绍二维材料的种类多样性和由于其低维度导致的丰富的可调性,包括物理性质、低维磁性和化学性质等。
最后简单介绍二维材料性能调控中常见的研究方法和近期取得的一些重要研究进展等。
第二章,先是简单介绍第一性原理计算的理论基础,包括密度泛函理论的基本框架、计算中常用的一些交换关联泛函和一些常用的计算程序包等。
接着介绍研究中用到的与第一性原理相结合的其它计算模拟方法。
第三章,研究了蓝磷在合适衬底上的生长机理。
通过系统对比不同衬底上蓝磷和黑磷的结合能,发现Cu(111),Au(111)和GaN(0001)有利于黑磷和蓝磷的稳定。
其中半导体材料GaN(0001)更有利于后续的器件设计和应用,可以不用转移直接进行器件设计,我们重点研究GaN(0001)衬底上磷二维单层的生长机理。
进一步地,通过能量稳定性、分子动力学和热稳定性的分析,发现在GaN(0001)衬底上,蓝磷相比黑磷有更好的稳定性。
通过系统的计算、动力学模拟和理论分析,我们发现蓝磷在GaN(0001)衬底上可能会遵循一种半层半层生长的新的模式生长。
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基于新型二维范德瓦尔斯异质结材料的第一性原理研究
很长一段时间,那些“迷人”但同时“不寻常”的物理预测有时只是用于新奇理论思维实验的模型,以考虑宇宙的起源,甚至只可以
在学生的课程中展示。
这可以被称之为’前石墨烯’时代。
自从十多年石墨烯被发现以来,二维层状材料因其展现出了许多理论预测的奇特物理和化学现象吸引了研究者们的极大关注,并一直是材料研究的焦点之一。
虽然这种材料的制备过程是简单的“一小步”——使用透明胶带进行机械剥离,但石墨烯的诞生所带来技术的进步实际上是科学发展历程中的“一大步”。
二维层状材料中的每一层内由共价键结合的无悬挂键的原子结构组成,并且通过范德瓦尔斯相互作用与相邻层弱结合。
这使得分离、混合和匹配不同种类的原子层以制备各种类型的范德瓦尔斯异质结变得更加容易,而不受晶格匹配和处理兼容性的限制。
利用不同二维金属、半半导体或绝缘体材料叠合所形成的范德瓦尔斯异质结可以用来设计许多电子器件,包括隧道晶体管、晶闸管、柔性电子器件以及包括光电探测器、光伏器件和发光器件的光电器件,这些器件展现出了许多前所未有的特性与独特的功能。
然而,
对范德瓦尔斯异质结的研究中依然存在许多问题与机理需要澄清。
本论文主要通过采用第一性原理计算等研究方法对范德瓦尔斯异质结
中电子结构、载流子迁移率以及部分力学性能等进行模拟计算研究。
本研究的主要内成果如下:1)针对具有一定厚度的薄膜材料体系,对
基于与形变势能理论的载流子计算公式进行了重新的修正推导,同时结合全新开发的大体系第一性原理计算程序RESCU,研究了二维六方
氮化硼包覆的二维硒化铟范德瓦尔斯异质结中的声子散射限制的载
流子迁移率,其中最大的计算体系包含了 2200余个原子。
研究表明,相比未包覆的二维硒化铟材料,六方氮化硼的包覆提升了异质结构的弹性劲度系数,影响了其中声子散射的状态,从而解释了实验中观察
到的异质结构载流子迁移率的极大提升。
本研究揭示了二维范德瓦尔斯异质结中力学性能的改变对材料中基于声子散射限制的载流子迁
移率的提升有着至关重要的作用,此结论可以适用于其他同类型的二维范德瓦尔斯异质结构中。
2)研究了随扭转角度变化的双层扭转黑磷莫列超晶格中的电子结构以及载流子迁移率。
研究发现,莫列超晶格结构的形成对体系电子结构有着极大的影响,并导致了实空间中电输运极强的各向异性。
莫列超晶格结构中共存的不同高对称堆叠方式可以看做一种周期性存在的杂质,而这种’莫列杂质’引发了电子结构中的平能带以及载流子波函数的实空间局域化分布,进而显著地影响了载流子迁移率。
此外,扭转角度的变化改变了莫列杂质大小,进而对局域化分布的波函数交叠程度产生了极大的影响,因此可以有效调控结构体系中的载流子迁移率大小。
3)研究了在单轴拉仲应力作用下的理想结构的双层扭转黑磷莫列超晶格中的电子结构变化及断裂失效
过程。
研究发现,由于结构体系的各向异性导致了沿不同方向拉仲所呈现的力学性能及电子结构变化的不同。
当应力沿手扶椅方向施加时,在结构断裂失效之前(应变约为25%)体系依然可以保持与未拉仲伸状态下差别不大的稳定的空穴载流子有效质量以及直接禁带半导体性质。
通过对载流子波函数的实空间分布的研究可以发现,莫列杂质所
带来了的波函数局域化分布降低了电子结构性能对应力的敏感程度。
此外,对材料体系断裂失效的研究发现,非均质结构带来的层内结合
强度不均导致裂纹初始优先形成于各高对称堆叠方式的交界处。
这种层内结合强度分布的差异与层间相互作用的强弱具有一定关联。