应变梯度对二维gase能带结构的影响
摘要：随着社会的不断发展，人们热衷于生活用品，特别是电子产品的更轻薄、更高效。二维材料石墨烯的出现恰好迎合了人们的喜好，但这并不能满足市场的需求。然而纳米电子器件的进一步发展离不开更高效的二维材料。近年来，科学家们致力于探求一种完美代替石墨烯的新的二维材料，二维MoS2、二维GaSe等相继被发现。其中二维MoS2的研究已经进入成熟阶段，而GaSe大部分只是关于三维材料的研究，二维GaSe的研究还处于刚刚起步的阶段。单层 (monolayer) GaSe为间接带隙半导体，此种能带结构极大影响其光学性质。本课题主要通过第一性原理计算来研究应变梯度对单层GaSe的能带调节作用.我们发现通过引入非均匀应变可以使GaSe的能带结构出现间接带隙到直接带隙的转变，进而提高其光学性质。我们通过研究证明单层GaSe的带隙可以通过施加机械应力进行大范围的调节，这种性质使得GaSe单层体系能够成为可调制纳米器件的一个潜在的候选材料。本研究为更好地理解这些新的二维结构提供了理论上的依据。关键词：二维材料，石墨烯，GaSe，应变梯度，直接带隙，间接带隙，第一性原理 目 录
目 录 1
第1章 绪论 2
1.1 研究背景 2
1.1.1 二维材料 2
1.1.2 二维GaSe 2
1.2 第一性原理 4
1.3 密度泛函理论 4
1.4 VASP软件简介 9
第2章 关于二维GaSe的第一性原理研究 9
2.1 计算方法与细节 9
2.2 计算结果与讨论 11
2.3 小结 13
第3章 展望 13
致 谢 15
参 考 文 献 16
绪论
1.1 研究背景
1.1.1 二维材料
石墨烯的发现为人们打开了材料领域的一道全新的大门——二维材料。二维材料是指只有单层原子结构，电子仅可以在二维平面上运动的纳米级薄膜，是截至今时最薄的具有功能性纳米级材料。因在力学、光学、热学和电磁学等众多领域，二维材料都表现出杰出的性质，而得到人们的广泛关注。虽然经过大量的研究，实验仍然只是制造出相对简单的二维材料，但成功地剥离出二维材料给下一代纳
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
br /> 1.1.1 二维材料
石墨烯的发现为人们打开了材料领域的一道全新的大门——二维材料。二维材料是指只有单层原子结构，电子仅可以在二维平面上运动的纳米级薄膜，是截至今时最薄的具有功能性纳米级材料。因在力学、光学、热学和电磁学等众多领域，二维材料都表现出杰出的性质，而得到人们的广泛关注。虽然经过大量的研究，实验仍然只是制造出相对简单的二维材料，但成功地剥离出二维材料给下一代纳米电子器件的研发指明了一条振奋人心的道路，它们通常具有比三维材料更优良的性质。现今，人们已经可以将不同的二维材料糅合成新的复合材料[7]。
显然，作为第一个层状结构的原型石墨烯，因其独特的电子结构成为研究最广泛的二维材料。它具有表面积大和导电性好的特性，因此被用于制造晶体管集成电路。其最大的缺陷是缺乏直接带隙，因而无法应用于光电领域。另一种单质二维材料硼烯[3]于今年被成功制备出来，硼是与碳相邻的元素，具有非金属性的同时，还具有金属的特性。它的更多性质还有待研究。此外，过渡金属二硫化物[3]单层二维材料是当前材料物理学研究的热点项目，其中以二硫化钼最为典型。体材二硫化钼为间接带隙半导体；而二维二硫化钼为直接带隙半导体，带隙宽度约1.9电子伏特，因此二维二硫化钼具有良好的光学性质。
1.1.2 二维GaSe
由前人研究可知，二维单层GaSe为间接带隙半导体，此种能带结构极大影响其光学性质，所以人们试图用各种途径使二维单层GaSe带隙由间接带隙转变为直接带隙。然而所有的实验结果并不尽如人意，虽然一定程度上改善了单层GaSe的光学性质，但确保持了间接带隙的本质。
2013年，由Yandong Ma等人发表的Tunable electronic and dielectric behavior of GaS and GaSe monolayers[4]中，探索了均匀应变对二维GaSe能带结构的影响，研究结果表明，均匀应变下（零应变梯度）的二维GaSe能隙宽度发生变化（变小），却保持了间接带隙本质。也就是说，均匀应变只能在一定程度上改善单层GaSe的光学性质，但是却不能使二维单层GaSe带隙由间接带隙转变为直接带隙。
2015年，Le Huang等人发表了Effects of strain on the band gap and effective mass in two-dimensional monolayer GaX (X = S, Se, Te)[5]，其研究的结论与上述基本相同，并不能显著改善单层GaSe的光学性质。
直接和间接的空隙之间的差异很小，电子可以凭借量少量的能量轻易在之间转移，但这极大的限制了其性能。本次研究，主要通过第一性原理计算来研究应变梯度对单层GaSe的能带调节作用，希望通过应变来调控单层GaSe的能带结构，出现间接带隙到直接带隙的变化，以提高其光学性质。
研究的主要内容是GaSe单层材料理论计算以及非均匀应变对二维单层GaSe的能带调节作用的理论计算，计算的理论依据为基于密度泛函理论的第一原理计算方法。本研究提供了理论见解，从而更好地理解二维GaSe的性能。
如上所述，GaSe在过往的文献中已有人研究过了。值得注意的是，二维单层GaSe已经可以通过实验合成，引领了电子应用的一个的新篇章。与先前研究的MDs，如比二维，和相比，只有单层GaSe包含光元素。有人提出，机械坚固单层GaSe是用于场效应晶体管（FETs），代替有机基场效应管的完美候选。除了这些吸引人的特性，单层GaSe还有很多其它优点，例如热稳定性好、没有悬挂键等，这使它成为最有前景的纳米光子器件材料之一。而且，正如我们所知，很多文献都是在对体材GaSe电子性能的报道。然而，随着二维材料这个大家族的兴起，单层GaSe的性能仍处于探索的初级阶段。从这个意义上来说，为其进一步地开发和应用，系统理论的了解单层材料将是非常迫切而且必须的。
我们当前的工作目的是探索应变对二维GaSe能带结构的影响。特别关注将集中在以下两个问题：（1）应变是调节单层GaSe能带结构的一个强大而可行的途径？（2）应变梯度是否可以对GaSe的能带在间接带隙和直接带隙之间调节？以上研究项目将为可控性和可调谐电子设备的研发铺平道路。
1.2 第一性原理
第一性原理是以量子力学原理为依据，原子核和电子相互作用的原理及其基本运动规律为基础，结合具体情况需要，经过一些近似处理，然后直接求解薛定谔方程的算法。
世界上所有物质都是由分子（包括原子分子）组成，分子是由原子组合而成，而原子又可以划分为原子核与核外电子两部分。第一性原理是纯计算理论，是客观的，有规律的，不包含经验的、半经验的或实验所得出的结论。运行计算的时候只要在计算机程序输入要研究的原子种类和其具体坐标，就可以得到所要研究物质的一系列性质。
第一原理计算的基本流程：初步的猜测（电荷密度、原子位置），计算势，对所有的k点解科恩 - 萨恩方程，确定本征态，得到电荷密度，确定是否收敛（判断为否时要重新循环）。
1.3 密度泛函理论
密度泛函理论[1]计算将问题转化为对电子密度函数的描述
目 录 1
第1章 绪论 2
1.1 研究背景 2
1.1.1 二维材料 2
1.1.2 二维GaSe 2
1.2 第一性原理 4
1.3 密度泛函理论 4
1.4 VASP软件简介 9
第2章 关于二维GaSe的第一性原理研究 9
2.1 计算方法与细节 9
2.2 计算结果与讨论 11
2.3 小结 13
第3章 展望 13
致 谢 15
参 考 文 献 16
绪论
1.1 研究背景
1.1.1 二维材料
石墨烯的发现为人们打开了材料领域的一道全新的大门——二维材料。二维材料是指只有单层原子结构，电子仅可以在二维平面上运动的纳米级薄膜，是截至今时最薄的具有功能性纳米级材料。因在力学、光学、热学和电磁学等众多领域，二维材料都表现出杰出的性质，而得到人们的广泛关注。虽然经过大量的研究，实验仍然只是制造出相对简单的二维材料，但成功地剥离出二维材料给下一代纳
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
br /> 1.1.1 二维材料
石墨烯的发现为人们打开了材料领域的一道全新的大门——二维材料。二维材料是指只有单层原子结构，电子仅可以在二维平面上运动的纳米级薄膜，是截至今时最薄的具有功能性纳米级材料。因在力学、光学、热学和电磁学等众多领域，二维材料都表现出杰出的性质，而得到人们的广泛关注。虽然经过大量的研究，实验仍然只是制造出相对简单的二维材料，但成功地剥离出二维材料给下一代纳米电子器件的研发指明了一条振奋人心的道路，它们通常具有比三维材料更优良的性质。现今，人们已经可以将不同的二维材料糅合成新的复合材料[7]。
显然，作为第一个层状结构的原型石墨烯，因其独特的电子结构成为研究最广泛的二维材料。它具有表面积大和导电性好的特性，因此被用于制造晶体管集成电路。其最大的缺陷是缺乏直接带隙，因而无法应用于光电领域。另一种单质二维材料硼烯[3]于今年被成功制备出来，硼是与碳相邻的元素，具有非金属性的同时，还具有金属的特性。它的更多性质还有待研究。此外，过渡金属二硫化物[3]单层二维材料是当前材料物理学研究的热点项目，其中以二硫化钼最为典型。体材二硫化钼为间接带隙半导体；而二维二硫化钼为直接带隙半导体，带隙宽度约1.9电子伏特，因此二维二硫化钼具有良好的光学性质。
1.1.2 二维GaSe
由前人研究可知，二维单层GaSe为间接带隙半导体，此种能带结构极大影响其光学性质，所以人们试图用各种途径使二维单层GaSe带隙由间接带隙转变为直接带隙。然而所有的实验结果并不尽如人意，虽然一定程度上改善了单层GaSe的光学性质，但确保持了间接带隙的本质。
2013年，由Yandong Ma等人发表的Tunable electronic and dielectric behavior of GaS and GaSe monolayers[4]中，探索了均匀应变对二维GaSe能带结构的影响，研究结果表明，均匀应变下（零应变梯度）的二维GaSe能隙宽度发生变化（变小），却保持了间接带隙本质。也就是说，均匀应变只能在一定程度上改善单层GaSe的光学性质，但是却不能使二维单层GaSe带隙由间接带隙转变为直接带隙。
2015年，Le Huang等人发表了Effects of strain on the band gap and effective mass in two-dimensional monolayer GaX (X = S, Se, Te)[5]，其研究的结论与上述基本相同，并不能显著改善单层GaSe的光学性质。
直接和间接的空隙之间的差异很小，电子可以凭借量少量的能量轻易在之间转移，但这极大的限制了其性能。本次研究，主要通过第一性原理计算来研究应变梯度对单层GaSe的能带调节作用，希望通过应变来调控单层GaSe的能带结构，出现间接带隙到直接带隙的变化，以提高其光学性质。
研究的主要内容是GaSe单层材料理论计算以及非均匀应变对二维单层GaSe的能带调节作用的理论计算，计算的理论依据为基于密度泛函理论的第一原理计算方法。本研究提供了理论见解，从而更好地理解二维GaSe的性能。
如上所述，GaSe在过往的文献中已有人研究过了。值得注意的是，二维单层GaSe已经可以通过实验合成，引领了电子应用的一个的新篇章。与先前研究的MDs，如比二维，和相比，只有单层GaSe包含光元素。有人提出，机械坚固单层GaSe是用于场效应晶体管（FETs），代替有机基场效应管的完美候选。除了这些吸引人的特性，单层GaSe还有很多其它优点，例如热稳定性好、没有悬挂键等，这使它成为最有前景的纳米光子器件材料之一。而且，正如我们所知，很多文献都是在对体材GaSe电子性能的报道。然而，随着二维材料这个大家族的兴起，单层GaSe的性能仍处于探索的初级阶段。从这个意义上来说，为其进一步地开发和应用，系统理论的了解单层材料将是非常迫切而且必须的。
我们当前的工作目的是探索应变对二维GaSe能带结构的影响。特别关注将集中在以下两个问题：（1）应变是调节单层GaSe能带结构的一个强大而可行的途径？（2）应变梯度是否可以对GaSe的能带在间接带隙和直接带隙之间调节？以上研究项目将为可控性和可调谐电子设备的研发铺平道路。
1.2 第一性原理
第一性原理是以量子力学原理为依据，原子核和电子相互作用的原理及其基本运动规律为基础，结合具体情况需要，经过一些近似处理，然后直接求解薛定谔方程的算法。
世界上所有物质都是由分子（包括原子分子）组成，分子是由原子组合而成，而原子又可以划分为原子核与核外电子两部分。第一性原理是纯计算理论，是客观的，有规律的，不包含经验的、半经验的或实验所得出的结论。运行计算的时候只要在计算机程序输入要研究的原子种类和其具体坐标，就可以得到所要研究物质的一系列性质。
第一原理计算的基本流程：初步的猜测（电荷密度、原子位置），计算势，对所有的k点解科恩 - 萨恩方程，确定本征态，得到电荷密度，确定是否收敛（判断为否时要重新循环）。
1.3 密度泛函理论
密度泛函理论[1]计算将问题转化为对电子密度函数的描述
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