非金屬元素(F, S, Se, Te)摻雜對ZnO/graphene肖特基界面電荷及肖特基調(diào)控的理論研究

龐國旺，劉晨曦，潘多橋，史蕾倩，張麗麗，雷博程，趙旭才，黃以能,2，湯 哲

(1.伊犁師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，新疆凝聚態(tài)相變與微結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室，伊寧 835000；2.南京大學(xué)物理學(xué)院，固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210093)

0 引 言

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，人們對信息的需求量增大，納米電子、光電子和量子通信的量子力學(xué)效應(yīng)受到越來越多的關(guān)注，作為21世紀(jì)以來發(fā)展最快的半導(dǎo)體器件，其工藝尺寸越來越接近硅工藝的極限，單位面積內(nèi)集成晶體管數(shù)量的提高導(dǎo)致功耗不斷增加，晶體管應(yīng)用需要其他替代材料[1-2]。自2004年石墨烯(graphene)被科研人員成功剝離以來[3]，以graphene為代表的二維材料因其優(yōu)異的電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)，引起了科研工作者的廣泛關(guān)注[4-5]。graphene作為典型的二維材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能[6]、比表面積[7]，有較高的載流子遷移率[8]和熱導(dǎo)率[9]，因此被廣泛應(yīng)用于電極修飾、化學(xué)電源、傳感器等領(lǐng)域。然而，由于graphene特殊的結(jié)構(gòu)特征導(dǎo)致其帶隙為零，電子空穴極易復(fù)合，嚴(yán)重阻礙了其在電子與光電子器件應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展。此外，由于graphene的厚度只有一個(gè)原子層，在一般的實(shí)際應(yīng)用中，需要找到一種載體才能充分發(fā)揮其優(yōu)異的性能[10]。ZnO是一種具有直接帶隙的半導(dǎo)體材料，其激子結(jié)合能高、穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)，這些優(yōu)點(diǎn)使ZnO廣泛應(yīng)用于太陽能電池、傳感器、光催化劑等領(lǐng)域[11-12]。2006年Freeman等[13]從理論上預(yù)言：當(dāng)ZnO薄膜的厚度接近于幾個(gè)原子層時(shí)，它將從體相的纖鋅礦結(jié)構(gòu)向石墨相轉(zhuǎn)變。目前，Tusche等[14]在Ag(111)襯底上生長出了2個(gè)單原子層厚度的ZnO(0001)薄膜，證實(shí)了Freeman的預(yù)測。近年來，利用范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)將兩種二維材料結(jié)合起來應(yīng)用于肖特基二極管、場效應(yīng)晶體管、光電器件和集成電路已成為研究熱點(diǎn)[15-16]。研究者通過設(shè)計(jì)二維異質(zhì)結(jié)層間結(jié)構(gòu)可以構(gòu)造出性能優(yōu)異的光電器件。如果將ZnO和graphene有機(jī)結(jié)合起來，不僅可以為graphene提供載體，還能彌補(bǔ)ZnO自身導(dǎo)電性能方面的不足，因此，開展ZnO/graphene異質(zhì)結(jié)復(fù)合材料的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前，人們對ZnO/graphene異質(zhì)結(jié)進(jìn)行了研究。如Xu等[17]通過第一性原理對ZnO/graphene異質(zhì)結(jié)的電子特性進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)ZnO/graphene界面處存在范德瓦耳斯力，ZnO和graphene之間由于功函數(shù)不同而發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，ZnO和graphene形成異質(zhì)結(jié)后，graphene的狄拉克點(diǎn)仍然存在，這意味著它與ZnO的相互作用不會(huì)影響其優(yōu)異的導(dǎo)電性。Liu等[18]構(gòu)建了ZnO/graphene肖特基結(jié)，發(fā)現(xiàn)其對紫外線照明顯示出相當(dāng)高的響應(yīng)度和快速開關(guān)比，并且發(fā)現(xiàn)當(dāng)施加-0.349%的應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變誘導(dǎo)的壓電勢對肖特基勢壘高度的改變，從而促進(jìn)了ZnO/graphene界面中的電子-空穴分離使得材料的光敏性能提高了17%。

摻雜是半導(dǎo)體器件或集成電路工藝中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，通過控制雜質(zhì)類型和濃度，可以控制半導(dǎo)體的光電特性。Li等[19]在實(shí)驗(yàn)上對ZnO/graphene異質(zhì)結(jié)進(jìn)行了B元素?fù)诫s，隨著B離子摻雜濃度的增加，薄膜表面的顆粒尺寸減小，肖特基接觸表現(xiàn)出良好的整流行為。馬浩浩等[20]研究了C、O、N、B摻雜對WS2/graphene肖特基接觸的影響，發(fā)現(xiàn)N、B摻入后，異質(zhì)結(jié)呈現(xiàn)歐姆接觸；C、O摻入后肖特基類型由p型轉(zhuǎn)變?yōu)閚型。陶鵬程等[21]發(fā)現(xiàn)鹵族元素的摻雜可以有效地調(diào)制金屬-MoS2界面間的肖特基勢壘高度。其中F和Cl原子的摻雜降低了體系的肖特基勢壘高度，Br和I原子的摻雜增大了體系的肖特基勢壘高度。以上工作表明，利用摻雜的方式來調(diào)控異質(zhì)結(jié)肖特基的接觸類型及勢壘高度是切實(shí)可行的。然而，到目前為止，利用第一性原理研究非金屬元素(F，S，Se，Te)摻雜ZnO/graphene肖特基對其界面電荷分布影響及其肖特基調(diào)控的研究鮮有報(bào)道，另外，ZnO和graphene的結(jié)構(gòu)特殊性使其片層之間可能存在較弱的相互作用，很難通過實(shí)驗(yàn)直接進(jìn)行探測。

為此，本文建立了ZnO/graphene異質(zhì)結(jié)模型，采用基于第一性原理的密度泛函理論研究了ZnO/graphene界面結(jié)合作用及其對電子結(jié)構(gòu)的影響，討論了F、S、Se、Te四種非金屬元素對肖特基接觸類型和勢壘高度的調(diào)控，以期找出能夠降低肖特基勢壘的具體摻雜元素及方式，為設(shè)計(jì)和制造相關(guān)的場效應(yīng)晶體管提供一定的參考。

1 模型和計(jì)算方法

本文所有的計(jì)算均基于密度泛函理論(DFT)的平面波超軟贗勢方法(USP)，利用Materials Studio 2017軟件中的CASTEP[22]模塊完成。采用GGA-PBE[23]方法分別對單層graphene晶胞和單層ZnO晶胞進(jìn)行幾何優(yōu)化，優(yōu)化時(shí)采用BFGS算法完成。其中g(shù)raphene優(yōu)化后的晶格常數(shù)a=b=0.246 nm，與已報(bào)道的實(shí)驗(yàn)值[24]誤差小于1%，ZnO晶胞優(yōu)化后的晶格常數(shù)a=b=0.328 nm，接近Gao等[25]的計(jì)算結(jié)果。根據(jù)優(yōu)化后的晶格常數(shù)選取單層ZnO的周期性結(jié)構(gòu)為3×3×1，為了避免摻雜直接破壞graphene狄拉克錐，本文主要考慮在ZnO層進(jìn)行摻雜。為了避免邊界效應(yīng)，本文選取坐標(biāo)為(0.444，0.555，0.026)的一個(gè)O原子分別被F、S、Se、Te替換，如圖1所示，在替換的基礎(chǔ)上與4×4×1的graphene搭建異質(zhì)結(jié)，為了說明ZnO/graphene異質(zhì)結(jié)層間的相互作用及其穩(wěn)定性，本文利用Eb=E(ZnO/graphene)-E(ZnO)-E(graphene)計(jì)算了不同層間距下的結(jié)合能，如圖2所示。其中E(ZnO/graphene)，E(ZnO)和E(graphene)分別對應(yīng)優(yōu)化后ZnO/graphene異質(zhì)結(jié)、單層ZnO和graphene的總能量。結(jié)果顯示當(dāng)異質(zhì)結(jié)的層間距為0.35 nm時(shí)結(jié)合能最低，為-3.86 eV，表明ZnO/graphene異質(zhì)結(jié)最穩(wěn)定的層間距為0.35 nm，遠(yuǎn)大于C原子與O原子、C原子與Zn原子之和，與graphene/MoSe2[26]和graphene/ZnO[17]等graphene基異質(zhì)結(jié)的數(shù)據(jù)接近。這說明在ZnO/graphene異質(zhì)結(jié)層間存在范德瓦耳斯相互作用。為了準(zhǔn)確描述異質(zhì)結(jié)層間的范德瓦耳斯力，本文選取了GGA-PBE方案中的Tkatchenko-Scheffler(TS)[27]色散修正。布里淵區(qū)網(wǎng)格采用以Gamma點(diǎn)為中心的Monkhorst-Pack[28]方案，選取5×5×2的K點(diǎn)網(wǎng)格，每個(gè)原子的位移不超過1×10-4nm，每個(gè)原子所承受的應(yīng)力不超過0.1 GPa，平面波動(dòng)截?cái)嗄茉O(shè)置為520 eV，自洽收斂精度為2.0×10-5eV/atom，原子間受力不超過0.5 eV/nm。z軸方向真空層厚度設(shè)置為1.8 nm。

圖1 單層ZnO 3×3×1超胞摻雜俯視圖:(a)Zn9O8F1俯視圖；(b)Zn9O8S1俯視圖；(c)Zn9O8Se1俯視圖；(d)Zn9O8Te1俯視圖Fig.1 Top view of monolayer ZnO 3×3×1 supercell doping: (a) Zn9O8F1 top view; (b) Zn9O8S1 top view; (c) Zn9O8Se1 top view; (d) Zn9O8Te1 top view

圖2 ZnO/graphene異質(zhì)結(jié)基態(tài)能量與層間距的關(guān)系Fig.2 Relationship between binding energy and interlayer distance of ZnO/graphene heterojunction

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

為了研究五種異質(zhì)結(jié)的匹配程度，計(jì)算了Zn9O8X1/graphene(X=O，F(xiàn)，S，Se，Te)異質(zhì)結(jié)的晶格失配率，公式為δ=(a2-a1)/a1，其中a1為單層Zn9O8X1(X=O，F(xiàn)，S，Se，Te)超胞晶格常數(shù)，a2為graphene超胞晶格常數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表1所示，分析發(fā)現(xiàn)摻雜后異質(zhì)結(jié)體系的失配率均小于ZnO/graphene異質(zhì)結(jié)，摻雜前后的五種體系的晶格失配率均低于5%，滿足完全共格條件。

表1 Zn9O8X1/graphene(X=O，F(xiàn)，S，Se，Te)晶胞參數(shù)Table 1 Cell parameters of Zn9O8X1/graphene (X=O, F, S, Se, Te)

在兩種二維材料形成穩(wěn)定界面的過程中，由于晶格不匹配會(huì)導(dǎo)致失配能的產(chǎn)生，并且晶格失配能越小表明異質(zhì)結(jié)體系越穩(wěn)定。為了進(jìn)一步探究異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，本文計(jì)算了各體系的晶格失配能[29]。

ΔEmismatch=[E(graphene)a′+E(Zn9O8X1)a′-E(graphene)a-E(Zn9O8X1)a]/S

(1)

式中：E(graphene)a′為優(yōu)化后單層graphene的能量；E(Zn9O8X1)a′為優(yōu)化后單層Zn9O8X1(X=O，F(xiàn)，S，Se，Te)的能量；E(graphene)a為優(yōu)化前單層graphene的能量；E(Zn9O8X1)a為優(yōu)化前單層Zn9O8X1(X=O，F(xiàn)，S，Se，Te)的能量；S為異質(zhì)結(jié)的表面積。從表1看出，摻入F原子時(shí)，體系的晶格失配能最高，說明摻入F原子后，相比于未摻雜體系穩(wěn)定性有所降低；當(dāng)分別摻入S、Se、Te原子時(shí)，各體系的晶格失配能均低于ZnO/graphene異質(zhì)結(jié)，表明摻雜提高了ZnO/graphene異質(zhì)結(jié)的穩(wěn)定性。另外，表1中各體系的范德瓦耳斯作用力的能量值分布在1.125 eV/nm2至13.992 eV/nm2之間，與之前的報(bào)道的數(shù)值[30]非常接近，說明本文所構(gòu)建的5種異質(zhì)結(jié)體系層間的作用力為范德瓦耳斯力。

2.2 能帶結(jié)構(gòu)

能帶結(jié)構(gòu)圖可以很好地反映異質(zhì)結(jié)層間相互作用對電子的影響，在計(jì)算ZnO/graphene異質(zhì)結(jié)能帶時(shí)，為了與ZnO/graphene異質(zhì)結(jié)能帶圖進(jìn)行對比分析，首先計(jì)算了如圖3所示的單層ZnO(a)和單層graphene(b)。由圖3(a)可以看出，單層ZnO的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂均位于高對稱點(diǎn)G，為直接帶隙，帶隙寬度為1.67 eV，接近文獻(xiàn)[31]的計(jì)算結(jié)果。從圖3(b)可以看出，graphene具有特殊的能帶色散關(guān)系，在倒易空間的K點(diǎn)處形成了導(dǎo)帶和價(jià)帶相交的狄拉克錐(Dirac cone)[32]導(dǎo)致帶隙為零，這表明graphene是一種無帶隙的半導(dǎo)體，并具有金屬性質(zhì)，與文獻(xiàn)[33]的結(jié)果保持一致，說明本文所建立的模型和計(jì)算結(jié)果是合理的。圖3(c)是ZnO/graphene異質(zhì)結(jié)能帶圖，通過與單層的ZnO和graphene的能帶進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，層間雜化和電荷轉(zhuǎn)移對異質(zhì)結(jié)能帶結(jié)構(gòu)的影響不大，異質(zhì)結(jié)的能帶幾乎是由單層graphene和單層ZnO能帶結(jié)構(gòu)的簡單疊加，說明ZnO和graphene之間的作用非常弱，對各自電子態(tài)的影響非常小，與上文的穩(wěn)定性分析相一致。ZnO/graphene異質(zhì)結(jié)中，graphene電子態(tài)狄拉克錐仍然存在，ZnO的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂均向下移動(dòng)，這是因?yàn)閱螌觛raphene和單層ZnO之間存在電勢差，當(dāng)兩者接觸形成肖特基時(shí)，界面電荷將會(huì)從電勢較高的graphene向電勢較低的ZnO轉(zhuǎn)移。另外，根據(jù)肖特基-莫特模型[34]可知：導(dǎo)帶底與費(fèi)米能級(jí)之間的能量差為n型肖特基勢壘高度(n type Schottky barrier height， n-SBH)；價(jià)帶頂與費(fèi)米能級(jí)之間的能量差為p型肖特基勢壘高度(p type Schottky barrier height， p-SBH)。在圖3(c)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)帶底相對于價(jià)帶頂更接近費(fèi)米能級(jí)，n-SBH=0.83 eV，表明graphene和ZnO接觸呈現(xiàn)n型肖特基接觸。以上結(jié)果表明，當(dāng)ZnO/graphene異質(zhì)結(jié)作為電極材料時(shí)，不僅發(fā)揮了graphene優(yōu)越的導(dǎo)電性能而且還保持了本征ZnO的特性。

圖3 能帶結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Band structure diagram

圖4(a)～(c)分別為單層graphene、單層ZnO和ZnO/graphene異質(zhì)結(jié)的功函數(shù)，功函數(shù)表示電子從材料表面逃逸到自由空間中所需的最小能量。從圖4中可以看出，ZnO/graphene異質(zhì)結(jié)的功函數(shù)為4.192 eV，小于單層ZnO的功函數(shù)(4.735 eV)，但大于graphene的功函數(shù)(4.046 eV)。功函數(shù)的不同將會(huì)導(dǎo)致層間電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移，本文中當(dāng)graphene與ZnO形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，graphene中的部分負(fù)電荷向ZnO層轉(zhuǎn)移。為了更清晰地描述層間電荷的轉(zhuǎn)移情況，本文計(jì)算了異質(zhì)結(jié)的差分電荷密度，如圖5所示。

圖4 功函數(shù)圖Fig.4 Work function diagram

差分電荷密度圖可以呈現(xiàn)異質(zhì)結(jié)層間電荷的轉(zhuǎn)移情況，圖5中青色區(qū)域代表負(fù)電荷的耗散(正電荷聚集區(qū)域)，黃色區(qū)域代表負(fù)電荷的積累(負(fù)電荷聚集區(qū)域)。當(dāng)graphene與ZnO形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，graphene中的部分負(fù)電荷向ZnO層轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致ZnO層聚集了大量負(fù)電荷，ZnO的能級(jí)向低能態(tài)移動(dòng)，與能帶圖分析相一致。另外，由于電荷的轉(zhuǎn)移導(dǎo)致graphene層空穴濃度增加，ZnO層電子濃度增加，形成了由graphene到ZnO方向的內(nèi)建電場，在界面處產(chǎn)生了電子勢壘，阻止了電子從graphene到單層ZnO的擴(kuò)散，使得電子的擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡。

圖5 ZnO/graphene異質(zhì)結(jié)的三維電子密度差分圖:(a)側(cè)視圖;(b)俯視圖。青色區(qū)域代表負(fù)電荷的耗散，黃色區(qū)域代表負(fù)電荷的積累Fig.5 Three-dimensional electron density difference diagram of ZnO/graphene heterojunction: (a) side view; (b) top view. Blue area represents dissipation of negative charge, yellow area represents accumulation of negative charge

2.3 肖特基調(diào)控

異質(zhì)結(jié)的肖特基調(diào)控主要是指對肖特基接觸類型和肖特基勢壘高度的調(diào)控。大量的實(shí)驗(yàn)和理論表明，通過對異質(zhì)結(jié)施加電場、應(yīng)力、摻雜、空位、吸附等可以實(shí)現(xiàn)對異質(zhì)結(jié)肖特基接觸類型和肖特基勢壘高度的調(diào)控。因此本文通過摻雜的方式影響ZnO/graphene異質(zhì)結(jié)層間電荷的轉(zhuǎn)移進(jìn)而調(diào)控異質(zhì)結(jié)的肖特基接觸類型和勢壘高度的方法是完全可行的。本文選取F、S、Se、Te分別替換了ZnO中的1個(gè)O原子。為了更清楚地描述非金屬摻雜對ZnO/graphene異質(zhì)結(jié)的影響，首先分析了非金屬元素對單層ZnO能帶結(jié)構(gòu)的影響，如圖6所示。

圖6 能帶圖:(a)Zn9O8F1；(b)Zn9O8S1；(c)Zn9O8Se1；(d)Zn9O8Te1Fig.6 Band diagram: (a) Zn9O8F1; (b) Zn9O8S1; (c) Zn9O8Se1; (d) Zn9O8Te1

從圖6(a)可以看出，當(dāng)F原子摻入ZnO后，體系的能級(jí)均向下發(fā)生移動(dòng)，導(dǎo)帶下移2.23 eV，價(jià)帶下移2.15 eV，帶隙由1.67 eV變?yōu)?.59 eV，另外，導(dǎo)帶底穿過費(fèi)米能級(jí)，體系呈現(xiàn)n型半導(dǎo)體特征。從圖6(b)～(d)可以看出，當(dāng)摻入S、Se、Te時(shí)，體系能帶的價(jià)帶頂均位于費(fèi)米能級(jí)處，與圖6(a)本征ZnO相比并無明顯的變化，而體系的導(dǎo)帶底隨著不同元素的摻入，相應(yīng)地發(fā)生了不同程度的移動(dòng)，其中摻入S和Se元素時(shí)，體系的導(dǎo)帶底分別上移0.32 eV和0.18 eV，導(dǎo)致其帶隙分別為1.99 eV和1.85 eV。摻入Te元素后，體系的導(dǎo)帶底下移0.38 eV，其帶隙也相應(yīng)地變?yōu)?.29 eV?？梢园l(fā)現(xiàn)，F(xiàn)、S、Se、Te四種非金屬元素?fù)饺隯nO后，對體系的帶隙產(chǎn)生了明顯的影響。為了更深入地探究F、S、Se、Te四種非金屬元素對ZnO/graphene異質(zhì)結(jié)肖特基接觸類型和勢壘的影響，計(jì)算了摻雜后異質(zhì)結(jié)體系的能帶，如圖7所示。

結(jié)合圖7及表2可以觀察到，圖7(a)中當(dāng)F元素?fù)饺隯nO/graphene異質(zhì)結(jié)體系后，graphene的狄拉克點(diǎn)位于費(fèi)米能級(jí)的下方，價(jià)帶中存在未填充能級(jí)。此外，F(xiàn)原子的摻入引起了能級(jí)的大幅度下移，這是因?yàn)镕原子的外圍電子數(shù)多于O原子的外圍電子數(shù)，當(dāng)F原子替換O原子后，將會(huì)向ZnO中注入電子，引起能級(jí)向下移動(dòng)，并且導(dǎo)帶底穿過費(fèi)米能級(jí)，導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)呈現(xiàn)歐姆接觸；從圖7(b)～(d)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ZnS、ZnSe和ZnTe分別與graphene接觸時(shí)，gaphene的狄拉克點(diǎn)均停留在費(fèi)米面上。另外，相對于單層Zn9O8X1(X=S、Se、Te)的能級(jí)而言，Zn9O8X1/graphene(X=S、Se、Te)異質(zhì)結(jié)體系中Zn9O8X1(X=S、Se、Te)的價(jià)帶頂分別下移0.83 eV、0.73 eV和0.48 eV，主要是由于當(dāng)graphene與Zn9O8X1(X=S、Se、Te)形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，graphene中的部分負(fù)電荷向Zn9O8X1(X=S、Se、Te)層轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致Zn9O8X1(X=S、Se、Te)層聚集了大量負(fù)電荷，電勢降低，能級(jí)向低能態(tài)發(fā)生移動(dòng)。此時(shí)，Zn9O8X1/graphene(X=S、Se、Te)三種異質(zhì)結(jié)中的n型肖特基勢壘分別為0.97 eV、0.99 eV和1.05 eV，p型肖特基勢壘分別為0.83 eV、0.73 eV和0.48 eV，三種異質(zhì)結(jié)類型均為p型肖特基接觸。說明摻入S、Se和Te原子不僅可以實(shí)現(xiàn)異質(zhì)結(jié)肖特基接觸類型由n型向p型的轉(zhuǎn)變而且還能有效地降低肖特基勢壘的高度。

圖7 能帶圖:(a)Zn9O8F1/graphene；(b)Zn9O8S1/graphene；(c)Zn9O8Se1/graphene；(d)Zn9O8Te1/graphene。圖中黑色的能帶由graphene貢獻(xiàn)Fig.7 Band diagram: (a) Zn9O8F1/graphene; (b) Zn9O8S1/graphene; (c) Zn9O8Se1/graphene; (d) Zn9O8Te1/graphene. The black energy band is contributed by graphene

表2 Zn9O8X1/graphene(X=O，F(xiàn)，S，Se，Te)肖特基勢壘及接觸類型Table 2 Schottky barriers and contact types of Zn9O8X1/graphene (X=O, F, S, Se, Te)

綜上所述，通過對ZnO摻雜F、S、Se、Te四種非金屬元素可以實(shí)現(xiàn)ZnO/graphene異質(zhì)結(jié)肖特基類型和勢壘高度的調(diào)控。

3 結(jié) 論

本文基于第一性原理系統(tǒng)研究了F、S、Se、Te四種非金屬元素對ZnO/graphene范德瓦耳斯異質(zhì)結(jié)界面相互作用及其電子性質(zhì)的影響，得出以下結(jié)論：

(1)對異質(zhì)結(jié)的晶格失配率和晶格失配能的計(jì)算和分析表明，ZnX/graphene(X=O，F(xiàn)，S，Se，Te)都能夠穩(wěn)定存在，且異質(zhì)結(jié)間層間的結(jié)合作用力主要為范德瓦耳斯力；

(2)能帶分析表明，ZnO/graphene異質(zhì)結(jié)的能帶基本上是單層graphene和單層ZnO能帶結(jié)構(gòu)的簡單疊加，ZnO的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂均向下移動(dòng)，結(jié)合差分電荷密度圖發(fā)現(xiàn)，graphene層的負(fù)電荷向ZnO層轉(zhuǎn)移，形成了一個(gè)方向由graphene到ZnO的內(nèi)建電場，更加有利于電子的運(yùn)輸；

(3)當(dāng)摻入F原子時(shí)，graphene與Zn9O8F1之間不存在電勢差，異質(zhì)結(jié)呈現(xiàn)歐姆接觸，當(dāng)分別摻入S、Se、Te原子時(shí)，異質(zhì)結(jié)肖特基的接觸類型發(fā)生了由n型向p型的轉(zhuǎn)變，而且肖特基的勢壘呈減小趨勢。