二維砷烯銻烯衍生物：理論設(shè)計與光電性能模擬的深度探究一、引言1.1研究背景與意義在材料科學(xué)的前沿領(lǐng)域中，二維材料由于其獨特的原子結(jié)構(gòu)和電子特性，展現(xiàn)出與傳統(tǒng)三維材料截然不同的物理性質(zhì)，自石墨烯于2004年被首次成功剝離以來，二維材料迅速成為全球科研的焦點，開啟了材料研究的新篇章。石墨烯作為首個被發(fā)現(xiàn)的單原子層厚度二維材料，具有優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)等特性，在諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，這一突破性發(fā)現(xiàn)激發(fā)了科學(xué)家們對二維材料家族的廣泛探索，隨后，過渡金屬硫族化合物（如二硫化鉬）、黑磷等多種二維材料相繼被研究和開發(fā)，它們各自具有獨特的性能，如二硫化鉬的半導(dǎo)體特性使其在納米電子器件中具有重要應(yīng)用價值，黑磷的高載流子遷移率和可調(diào)節(jié)帶隙特性使其在光電器件和高速晶體管領(lǐng)域備受關(guān)注。二維材料的原子級厚度賦予了它們一些特殊的性質(zhì)，如量子限域效應(yīng)和高比表面積，這些特性使得二維材料在電子學(xué)、能源存儲、催化和傳感器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在電子學(xué)領(lǐng)域，二維材料有望用于制造高性能晶體管，以滿足集成電路不斷縮小尺寸和提高性能的需求；在能源存儲方面，二維材料的高比表面積有利于提高電池和超級電容器的能量密度和充放電性能；在催化領(lǐng)域，二維材料的獨特原子結(jié)構(gòu)可提供豐富的活性位點，提高催化反應(yīng)的效率；在傳感器領(lǐng)域，二維材料對氣體分子的高靈敏度吸附和快速電子響應(yīng)特性，使其成為制備高靈敏度氣體傳感器的理想材料。在二維材料的大家族中，砷烯（Arsenene）和銻烯（Antimonene）作為新型的二維材料，因其獨特的物理性質(zhì)和潛在的應(yīng)用價值，近年來受到了越來越多的關(guān)注。砷烯和銻烯分別是由砷和銻原子組成的二維材料，它們具有類似于蜂窩狀的晶體結(jié)構(gòu)，且原子平面呈波浪狀起伏，這種特殊的結(jié)構(gòu)賦予了它們一些優(yōu)異的性能。從穩(wěn)定性方面來看，砷烯和銻烯具有較高的穩(wěn)定性，其母體晶體結(jié)構(gòu)是它們最穩(wěn)定的構(gòu)型，層間作用力與六方氮化硼接近，并且每個原子遵循八電子配位，形成了穩(wěn)定的波浪狀二維結(jié)構(gòu)，聲子譜完全沒有虛頻，這為實驗制備提供了理論基礎(chǔ)，使得通過機(jī)械剝離、液相剝離、氣相生長等方法制備這兩類材料成為可能。在電子結(jié)構(gòu)方面，砷和銻的層狀塊材原本是典型的半金屬，但當(dāng)減薄到原子厚度后，砷烯和銻烯轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接帶隙半導(dǎo)體，帶隙值分別為2.49eV和2.28eV，對應(yīng)于藍(lán)光光譜范圍。這一特性使得它們在藍(lán)光探測器、LED、激光器等光電器件方面具有潛在的應(yīng)用價值。此外，通過施加微小的雙軸應(yīng)變，砷烯和銻烯還可實現(xiàn)從間接到直接帶隙的轉(zhuǎn)變，以及帶隙大小的調(diào)控，這一特性進(jìn)一步拓展了它們在光電器件中的應(yīng)用范圍，例如可用于制造具有可調(diào)節(jié)帶隙的光電器件，以適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。在電學(xué)性能方面，砷烯和銻烯在低溫下具有大電子擴(kuò)散長度和高載流子遷移率，這使得它們有望應(yīng)用于高性能晶體管，為實現(xiàn)高速、低功耗的電子器件提供了新的材料選擇。然而，目前對砷烯和銻烯的研究仍處于初級階段，還存在許多亟待解決的問題。一方面，盡管砷烯和銻烯展現(xiàn)出諸多優(yōu)異性能，但它們的本征性質(zhì)在實際應(yīng)用中仍面臨一些挑戰(zhàn)，例如，它們的載流子遷移率在室溫下受到電-聲子散射等因素的影響，導(dǎo)致遷移率下降，限制了其在高速電子器件中的應(yīng)用；另一方面，與其他成熟的二維材料相比，砷烯和銻烯的合成方法和制備工藝還不夠完善，難以實現(xiàn)大規(guī)模、高質(zhì)量的制備，這也制約了它們的進(jìn)一步研究和應(yīng)用。此外，對于砷烯和銻烯與襯底或其他材料的集成工藝，以及它們在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性等方面的研究還相對較少，這些問題都需要深入研究和解決。為了充分挖掘砷烯和銻烯的潛在應(yīng)用價值，對其進(jìn)行理論設(shè)計和性能模擬具有重要的意義。通過理論計算和模擬，可以深入了解砷烯和銻烯的電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)、電學(xué)性質(zhì)等基本物理性質(zhì)，以及這些性質(zhì)與材料結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而為材料的優(yōu)化設(shè)計和性能調(diào)控提供理論依據(jù)。例如，通過第一性原理計算可以精確預(yù)測材料的電子結(jié)構(gòu)和能帶特性，分析不同原子排列和晶格參數(shù)對材料性能的影響；通過模擬材料與外界電場、磁場或其他物質(zhì)的相互作用，可以研究材料在實際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)，為器件的設(shè)計和優(yōu)化提供指導(dǎo)。此外，理論研究還可以幫助我們探索新的材料體系和應(yīng)用領(lǐng)域。通過對砷烯和銻烯進(jìn)行化學(xué)修飾、與其他材料復(fù)合或構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)等方式，可以設(shè)計出具有新穎物理性質(zhì)和特殊功能的二維材料衍生物，為拓展二維材料的應(yīng)用范圍提供新的思路和方法。例如，通過在砷烯或銻烯表面引入特定的官能團(tuán)或原子，改變其電子結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，從而實現(xiàn)對材料光學(xué)、電學(xué)、催化等性能的調(diào)控；通過構(gòu)建砷烯-銻烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)或與其他二維材料（如石墨烯、二硫化鉬等）形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以利用不同材料之間的協(xié)同效應(yīng)，獲得具有優(yōu)異綜合性能的新型材料，這些新型材料在光電器件、能源存儲、傳感器等領(lǐng)域可能展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。在當(dāng)今社會，隨著科技的飛速發(fā)展，對高性能光電材料的需求日益迫切。在光電器件領(lǐng)域，如光電探測器、發(fā)光二極管、激光器等，需要材料具有高的光吸收效率、快速的光電響應(yīng)速度和良好的穩(wěn)定性；在能源領(lǐng)域，太陽能電池等需要材料能夠高效地吸收和轉(zhuǎn)換光能。砷烯和銻烯衍生物作為潛在的高性能光電材料，對它們的研究不僅有助于推動二維材料科學(xué)的發(fā)展，還可能為解決當(dāng)前社會面臨的能源和環(huán)境等問題提供新的途徑和方法。例如，若能開發(fā)出基于砷烯和銻烯衍生物的高效太陽能電池，將有望提高太陽能的利用效率，緩解能源短缺問題；若能制備出高性能的光電探測器，將在環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)檢測、安全監(jiān)控等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。1.2研究現(xiàn)狀近年來，二維砷烯和銻烯及其衍生物由于其獨特的物理性質(zhì)和潛在的應(yīng)用價值，成為了材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點之一。眾多研究聚焦于這兩種材料的合成方法、物理性質(zhì)以及在各種器件中的應(yīng)用探索，取得了一系列重要進(jìn)展。在合成方法方面，研究人員已嘗試多種技術(shù)來制備砷烯和銻烯。機(jī)械剝離法是最早用于制備二維材料的方法之一，它通過膠帶等工具從體材料中直接剝離出單層或少數(shù)層的二維材料。在砷烯和銻烯的制備中，機(jī)械剝離法能夠獲得高質(zhì)量的二維材料，但產(chǎn)量較低，難以滿足大規(guī)模應(yīng)用的需求。化學(xué)氣相沉積法（CVD）則是在高溫和催化劑的作用下，使氣態(tài)的砷或銻源在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，沉積并生長出二維材料。該方法可在多種襯底上生長出大面積的砷烯和銻烯，且能夠精確控制生長層數(shù)和質(zhì)量，為大規(guī)模制備和器件集成提供了可能。此外，分子束外延（MBE）技術(shù)也被用于制備高質(zhì)量的砷烯和銻烯。MBE技術(shù)在超高真空環(huán)境下，將原子或分子束蒸發(fā)到襯底表面，通過精確控制原子的沉積速率和襯底溫度等條件，實現(xiàn)原子級別的精確生長，從而獲得高質(zhì)量、原子級平整的二維材料，但其設(shè)備昂貴、生長速度慢，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。在物理性質(zhì)研究方面，砷烯和銻烯展現(xiàn)出了獨特的電學(xué)、光學(xué)和力學(xué)等性質(zhì)。如前文所述，砷烯和銻烯均為間接帶隙半導(dǎo)體，帶隙值分別為2.49eV和2.28eV，對應(yīng)于藍(lán)光光譜范圍，這使得它們在藍(lán)光探測器、LED、激光器等光電器件方面具有潛在的應(yīng)用價值。研究還發(fā)現(xiàn)，通過施加微小的雙軸應(yīng)變，砷烯和銻烯可實現(xiàn)從間接到直接帶隙的轉(zhuǎn)變，以及帶隙大小的調(diào)控，進(jìn)一步拓展了它們在光電器件中的應(yīng)用范圍。在電學(xué)性能方面，砷烯和銻烯在低溫下具有大電子擴(kuò)散長度和高載流子遷移率，使其有望應(yīng)用于高性能晶體管。然而，室溫下的電-聲子散射等因素限制了它們的載流子遷移率，影響了其在高速電子器件中的應(yīng)用。在光學(xué)性質(zhì)方面，砷烯和銻烯對光的吸收和發(fā)射表現(xiàn)出與傳統(tǒng)材料不同的特性，研究其光學(xué)性質(zhì)對于開發(fā)新型光電器件具有重要意義。在力學(xué)性能方面，雖然砷烯和銻烯的力學(xué)強(qiáng)度相對較弱，但通過與其他材料復(fù)合或構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)等方式，可以提高其力學(xué)性能，滿足實際應(yīng)用的需求。在應(yīng)用研究方面，砷烯和銻烯及其衍生物在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用價值。在光電器件領(lǐng)域，基于砷烯和銻烯的光電探測器、發(fā)光二極管等器件的研究取得了一定進(jìn)展。例如，有研究報道了基于砷烯的光電探測器，該探測器對藍(lán)光具有較高的響應(yīng)度和快速的響應(yīng)速度，有望應(yīng)用于光通信、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。在能源存儲領(lǐng)域，砷烯和銻烯及其衍生物可作為電極材料應(yīng)用于電池和超級電容器中。由于其具有較高的理論比容量和良好的電子傳輸性能，可能有助于提高電池的能量密度和充放電性能。在傳感器領(lǐng)域，砷烯和銻烯對某些氣體分子具有特殊的吸附和電學(xué)響應(yīng)特性，可用于制備高靈敏度的氣體傳感器，用于檢測環(huán)境中的有害氣體或生物分子。盡管目前對二維砷烯和銻烯及其衍生物的研究取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處。在合成方法上，雖然已有多種制備技術(shù)，但這些方法大多存在成本高、產(chǎn)量低、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題，難以實現(xiàn)大規(guī)模、高質(zhì)量的制備，限制了材料的進(jìn)一步研究和應(yīng)用。在物理性質(zhì)研究方面，對于砷烯和銻烯在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性等方面的研究還相對較少，其與襯底或其他材料的集成工藝也有待進(jìn)一步完善。在應(yīng)用研究方面，雖然在多個領(lǐng)域展示了潛在應(yīng)用價值，但目前的研究大多處于實驗室階段，距離實際應(yīng)用還有一定的距離，需要進(jìn)一步深入研究和優(yōu)化器件性能，解決與現(xiàn)有技術(shù)的兼容性等問題。本研究的切入點在于通過理論設(shè)計和光電性能模擬，深入探索二維砷烯、銻烯衍生物的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，旨在為解決現(xiàn)有研究中的不足提供理論依據(jù)和新的思路。一方面，利用第一性原理計算等理論方法，系統(tǒng)研究不同原子排列、化學(xué)修飾以及與其他材料復(fù)合等方式對砷烯和銻烯衍生物光電性能的影響，為設(shè)計具有優(yōu)異性能的二維材料提供指導(dǎo)；另一方面，通過模擬材料在實際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)，如在光電器件中的光吸收、電荷傳輸?shù)冗^程，為優(yōu)化器件性能提供理論支持，推動二維砷烯、銻烯衍生物從實驗室研究向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。1.3研究內(nèi)容與方法本研究聚焦于二維砷烯、銻烯衍生物的理論設(shè)計和光電性能模擬，旨在深入探索其結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系，為新型光電材料的開發(fā)提供理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)。研究內(nèi)容主要涵蓋以下幾個方面：二維砷烯、銻烯衍生物的結(jié)構(gòu)設(shè)計：運用MaterialsStudio軟件中的構(gòu)建工具，設(shè)計不同原子排列方式的砷烯、銻烯衍生物，如通過在砷烯、銻烯的晶格中引入特定雜質(zhì)原子，或改變原子的配位方式，構(gòu)建多種可能的結(jié)構(gòu)模型。同時，考慮對砷烯、銻烯進(jìn)行化學(xué)修飾，例如在其表面吸附不同的官能團(tuán)，研究這些修飾對材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子云分布的影響。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算，確保所設(shè)計的結(jié)構(gòu)處于能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)，為后續(xù)性能模擬提供可靠的結(jié)構(gòu)模型。電子結(jié)構(gòu)與能帶特性分析：基于密度泛函理論（DFT），利用VASP軟件對設(shè)計的砷烯、銻烯衍生物進(jìn)行電子結(jié)構(gòu)計算。通過分析總態(tài)密度（TDOS）和分波態(tài)密度（PDOS），了解材料中不同原子軌道對電子態(tài)的貢獻(xiàn)，明確電子在各個能級上的分布情況。計算能帶結(jié)構(gòu)，確定材料的帶隙類型（直接帶隙或間接帶隙）和帶隙大小，研究原子排列和化學(xué)修飾如何影響能帶結(jié)構(gòu)的變化，揭示電子結(jié)構(gòu)與材料光電性能之間的內(nèi)在聯(lián)系。光學(xué)性質(zhì)模擬：采用第一性原理方法結(jié)合含時密度泛函理論（TD-DFT），利用相關(guān)軟件模擬砷烯、銻烯衍生物的光學(xué)性質(zhì)。計算材料的光吸收系數(shù)，分析其在不同波長范圍內(nèi)的光吸收特性，確定材料對光的吸收范圍和吸收強(qiáng)度，探討材料在光電器件中的光捕獲能力。研究激子結(jié)合能，了解激子在材料中的形成和分離機(jī)制，為提高材料的光電轉(zhuǎn)換效率提供理論依據(jù)。模擬光發(fā)射特性，包括發(fā)射波長、發(fā)射強(qiáng)度等，評估材料在發(fā)光器件中的應(yīng)用潛力。電學(xué)性能研究：通過第一性原理計算，結(jié)合玻爾茲曼輸運方程，研究砷烯、銻烯衍生物的電學(xué)性能。計算載流子遷移率，分析影響載流子遷移率的因素，如電-聲子散射、雜質(zhì)散射等，探討如何通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和修飾提高載流子遷移率，從而提升材料的電學(xué)性能。研究材料的電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系，了解材料在不同溫度條件下的電學(xué)行為，為材料在實際應(yīng)用中的性能評估提供參考。本研究主要采用以下研究方法：第一性原理計算方法：基于量子力學(xué)基本原理，從電子層面出發(fā)，通過求解薛定諤方程，精確計算材料中電子的相互作用和運動狀態(tài)，進(jìn)而獲得材料的各種物理性質(zhì)。在計算過程中，采用平面波贗勢方法（PWPM），將電子與原子核之間的相互作用用贗勢來描述，既保證了計算精度，又能有效降低計算量。選用廣義梯度近似（GGA）下的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）交換關(guān)聯(lián)泛函，以準(zhǔn)確描述電子之間的交換和關(guān)聯(lián)作用。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，設(shè)置能量收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-5eV，力收斂標(biāo)準(zhǔn)為0.02eV/?，以確保結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。在電子結(jié)構(gòu)計算中，采用Monkhorst-Pack方法對布里淵區(qū)進(jìn)行k點采樣，根據(jù)材料的結(jié)構(gòu)特點合理選擇k點網(wǎng)格密度，以保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。模擬軟件工具：使用MaterialsStudio軟件進(jìn)行材料結(jié)構(gòu)的構(gòu)建和初步優(yōu)化，該軟件提供了豐富的原子模型庫和便捷的結(jié)構(gòu)編輯工具，能夠快速構(gòu)建各種復(fù)雜的材料結(jié)構(gòu)。利用VASP軟件進(jìn)行電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性能的計算，VASP是一款功能強(qiáng)大的第一性原理計算軟件，具有高效的計算算法和廣泛的應(yīng)用范圍。通過設(shè)置合理的計算參數(shù)，如平面波截斷能量、k點網(wǎng)格、贗勢類型等，確保計算結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。此外，還使用了一些輔助分析軟件，如Origin、VESTA等，用于數(shù)據(jù)處理、繪圖和結(jié)構(gòu)可視化分析，以便更直觀地展示計算結(jié)果和分析材料的性質(zhì)。二、二維砷烯銻烯衍生物的理論設(shè)計基礎(chǔ)2.1相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1.1第一性原理第一性原理，又稱從頭算，是一種基于量子力學(xué)基本原理的計算方法。其核心在于從最基本的物理定律出發(fā)，直接求解多體系統(tǒng)的薛定諤方程，而不依賴于任何經(jīng)驗參數(shù)或?qū)嶒灁?shù)據(jù)擬合。在材料科學(xué)研究中，第一性原理計算方法能夠深入揭示材料的原子結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)以及各種物理性質(zhì)的微觀機(jī)制。從理論根源上講，第一性原理計算基于量子力學(xué)中的波函數(shù)和薛定諤方程。對于一個包含N個電子和M個原子核的多體系統(tǒng)，其哈密頓量可以表示為：H=-\sum_{i=1}^{N}\frac{\hbar^2}{2m_e}\nabla_{i}^{2}-\sum_{I=1}^{M}\frac{\hbar^2}{2M_I}\nabla_{I}^{2}+\sum_{i=1}^{N}\sum_{I=1}^{M}\frac{Z_ie^2}{4\pi\epsilon_0r_{iI}}+\frac{1}{2}\sum_{i\neqj}^{N}\frac{e^2}{4\pi\epsilon_0r_{ij}}+\frac{1}{2}\sum_{I\neqJ}^{M}\frac{Z_IZ_Je^2}{4\pi\epsilon_0R_{IJ}}其中，第一項表示電子的動能，第二項表示原子核的動能，第三項表示電子與原子核之間的庫侖相互作用，第四項表示電子之間的庫侖相互作用，第五項表示原子核之間的庫侖相互作用。m_e為電子質(zhì)量，M_I為第I個原子核的質(zhì)量，Z_I為第I個原子核的電荷數(shù)，r_{iI}為第i個電子與第I個原子核之間的距離，r_{ij}為第i個電子與第j個電子之間的距離，R_{IJ}為第I個原子核與第J個原子核之間的距離，\hbar為約化普朗克常數(shù)，\epsilon_0為真空介電常數(shù)。然而，直接求解上述多體薛定諤方程是極其困難的，因為其波函數(shù)依賴于3N個電子坐標(biāo)和3M個原子核坐標(biāo)，計算量隨粒子數(shù)呈指數(shù)增長。為了簡化計算，在實際應(yīng)用中通常采用一些近似方法，如平面波贗勢方法（PWPM）和密度泛函理論（DFT）等。平面波贗勢方法將電子與原子核之間的相互作用用贗勢來描述，有效降低了計算量；而密度泛函理論則將多電子問題轉(zhuǎn)化為電子密度的泛函問題，使得計算變得更加可行。在二維材料研究中，第一性原理計算發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。它能夠精確預(yù)測二維材料的晶體結(jié)構(gòu)，確定原子的最優(yōu)排列方式和晶格參數(shù)，為實驗制備提供理論指導(dǎo)。例如，在砷烯和銻烯的研究中，通過第一性原理計算可以確定它們的蜂窩狀晶體結(jié)構(gòu)以及原子平面的波浪狀起伏特征，還能計算出不同層數(shù)下材料的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)變化規(guī)律。在電子結(jié)構(gòu)計算方面，第一性原理可以準(zhǔn)確給出二維材料的能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度等信息，從而深入理解材料的電學(xué)、光學(xué)等性質(zhì)。通過分析能帶結(jié)構(gòu)，能夠判斷材料是金屬、半導(dǎo)體還是絕緣體，以及確定其帶隙大小和類型（直接帶隙或間接帶隙）。對于砷烯和銻烯，第一性原理計算揭示了它們從塊材的半金屬轉(zhuǎn)變?yōu)槎S材料時的間接帶隙半導(dǎo)體特性，以及帶隙值與藍(lán)光光譜范圍的對應(yīng)關(guān)系。此外，通過計算態(tài)密度，可以了解材料中不同原子軌道對電子態(tài)的貢獻(xiàn)，進(jìn)一步分析電子的分布和相互作用情況。第一性原理計算還可以研究二維材料與襯底或其他材料的相互作用，模擬材料在外界電場、磁場等條件下的性能變化，為材料的應(yīng)用和器件設(shè)計提供重要依據(jù)。例如，在研究砷烯和銻烯與襯底的集成時，通過第一性原理計算可以分析界面處的電子結(jié)構(gòu)和相互作用能，預(yù)測界面的穩(wěn)定性和電荷轉(zhuǎn)移情況，從而優(yōu)化器件的制備工藝和性能。2.1.2密度泛函理論（DFT）密度泛函理論（DFT）是第一性原理計算中廣泛應(yīng)用的一種理論框架，主要用于研究多電子體系的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。其核心思想是將多電子體系的基態(tài)能量表示為電子密度的泛函，通過求解電子密度來獲得體系的各種性質(zhì)，從而將復(fù)雜的多體問題簡化為相對簡單的單體問題。DFT的理論基礎(chǔ)建立在Hohenberg-Kohn定理之上。Hohenberg-Kohn第一定理指出，對于一個處在外部靜電勢V_{ext}(\vec{r})中的多電子體系，其基態(tài)的所有性質(zhì)都可以由電子密度\rho(\vec{r})唯一確定。這意味著，我們可以通過研究電子密度來描述多電子體系的性質(zhì)，而無需直接處理復(fù)雜的多體波函數(shù)。Hohenberg-Kohn第二定理進(jìn)一步表明，存在一個關(guān)于電子密度的普適泛函F[\rho]，當(dāng)對電子密度\rho(\vec{r})進(jìn)行變分求極值時，該泛函可以給出體系的基態(tài)能量。具體來說，體系的總能量E可以表示為：E[\rho]=F[\rho]+\intV_{ext}(\vec{r})\rho(\vec{r})d\vec{r}其中，F(xiàn)[\rho]包含了電子的動能、電子-電子相互作用的庫侖能以及交換-相關(guān)能等，是一個只與電子密度有關(guān)的泛函；\intV_{ext}(\vec{r})\rho(\vec{r})d\vec{r}表示電子與外部勢場的相互作用能。在實際計算中，Kohn-Sham方程是實現(xiàn)DFT的關(guān)鍵。Kohn和Sham提出了一種近似方法，將多電子體系近似為一組非相互作用的電子在有效勢場V_{eff}(\vec{r})中運動的體系。有效勢場V_{eff}(\vec{r})包含了外部勢場V_{ext}(\vec{r})、電子間的庫侖相互作用以及交換-相關(guān)作用，即：V_{eff}(\vec{r})=V_{ext}(\vec{r})+\int\frac{\rho(\vec{r}')}{|\vec{r}-\vec{r}'|}d\vec{r}'+V_{xc}[\rho](\vec{r})其中，\int\frac{\rho(\vec{r}')}{|\vec{r}-\vec{r}'|}d\vec{r}'是庫侖相互作用項，V_{xc}[\rho](\vec{r})是交換-相關(guān)勢，它包含了所有不能用經(jīng)典靜電學(xué)解釋的量子力學(xué)效應(yīng)。通過求解Kohn-Sham方程，可以得到一組單電子波函數(shù)\psi_i(\vec{r})，進(jìn)而計算出電子密度\rho(\vec{r})=\sum_{i=1}^{N}|\psi_i(\vec{r})|^2，最終獲得體系的基態(tài)能量和其他性質(zhì)。DFT在計算材料電子結(jié)構(gòu)等方面具有顯著的優(yōu)勢。它的計算效率相對較高，相比基于波函數(shù)的方法，如Hartree-Fock方法，DFT在處理多電子體系時能夠大大降低計算量，使得計算較大體系成為可能。這使得DFT能夠應(yīng)用于研究各種復(fù)雜的材料體系，包括二維材料及其衍生物。其次，DFT的適用范圍廣泛，可應(yīng)用于原子、分子、固體、表面等不同尺度的體系，在材料科學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等多個領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。在二維材料研究中，DFT可以準(zhǔn)確計算材料的電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)等，為材料的性能預(yù)測和優(yōu)化提供了有力的工具。此外，DFT還具有較強(qiáng)的預(yù)測性，能夠預(yù)測實驗中尚未觀測到的性質(zhì)，為新材料的設(shè)計和開發(fā)提供理論指導(dǎo)。然而，DFT也存在一定的局限性。其中最主要的問題是交換-相關(guān)泛函的近似處理。由于目前無法精確求解交換-相關(guān)能E_{xc}[\rho]，在實際計算中通常采用各種近似方法，如局域密度近似（LDA）、廣義梯度近似（GGA）等。這些近似方法在某些情況下能夠給出較為準(zhǔn)確的結(jié)果，但對于一些具有強(qiáng)電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)、激發(fā)態(tài)或范德華力等弱相互作用的體系，DFT的計算結(jié)果可能存在較大誤差。例如，在研究二維材料與襯底之間的范德華相互作用時，傳統(tǒng)的DFT近似方法往往難以準(zhǔn)確描述，需要采用一些改進(jìn)的方法或更高級的泛函來提高計算精度。此外，DFT主要用于計算系統(tǒng)的基態(tài)性質(zhì)，對于動力學(xué)過程的描述能力有限，在處理與時間相關(guān)的物理過程時存在一定的困難。2.2二維砷烯銻烯衍生物結(jié)構(gòu)設(shè)計2.2.1原子結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建在構(gòu)建二維砷烯和銻烯衍生物的原子結(jié)構(gòu)模型時，以MaterialsStudio軟件為工具，充分考慮多種可能的原子排列方式和化學(xué)修飾情況。首先，構(gòu)建原始的砷烯和銻烯原子結(jié)構(gòu)。以砷烯為例，其具有類似于蜂窩狀的晶體結(jié)構(gòu)，每個砷原子通過共價鍵與周圍三個砷原子相連，形成穩(wěn)定的六元環(huán)結(jié)構(gòu)，且原子平面呈波浪狀起伏，這種起伏結(jié)構(gòu)賦予了砷烯一定的穩(wěn)定性和獨特的物理性質(zhì)。利用MaterialsStudio軟件中的構(gòu)建工具，精確設(shè)定原子的坐標(biāo)和鍵長、鍵角等參數(shù)，確保構(gòu)建的原始結(jié)構(gòu)與理論研究中的結(jié)構(gòu)特征相符。對于砷烯衍生物，考慮引入雜質(zhì)原子的情況。例如，在砷烯的晶格中引入磷原子，構(gòu)建砷-磷混合的二維結(jié)構(gòu)。具體步驟如下：在原始砷烯結(jié)構(gòu)中，選擇部分砷原子的位置，將其替換為磷原子。為了研究不同摻雜濃度對材料性質(zhì)的影響，分別構(gòu)建了磷原子摻雜比例為5%、10%和15%的結(jié)構(gòu)模型。在構(gòu)建過程中，注意保持結(jié)構(gòu)的對稱性和穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)不合理的原子間距或鍵角。通過調(diào)整原子坐標(biāo)和晶格參數(shù)，使結(jié)構(gòu)達(dá)到能量相對較低的狀態(tài)。對于每個摻雜比例的模型，構(gòu)建多個不同的原子排列方式，以探索不同排列對材料性能的影響。例如，對于5%磷原子摻雜的砷烯，分別構(gòu)建了磷原子均勻分布、隨機(jī)分布以及聚集分布等不同排列的結(jié)構(gòu)模型。在對砷烯進(jìn)行化學(xué)修飾方面，考慮在其表面吸附羥基（-OH）官能團(tuán)。構(gòu)建吸附羥基的砷烯結(jié)構(gòu)模型時，在砷烯表面的特定位置引入羥基。由于砷烯表面存在不同的活性位點，選擇在六元環(huán)的中心位置和砷原子的頂位分別進(jìn)行羥基吸附，構(gòu)建兩種不同吸附位置的結(jié)構(gòu)模型。在引入羥基后，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使羥基與砷烯表面的原子形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵，同時調(diào)整結(jié)構(gòu)的其他參數(shù)，確保整個體系的能量達(dá)到最低。在優(yōu)化過程中，觀察羥基與砷烯表面原子之間的鍵長、鍵角變化，以及電子云分布的改變，分析這些變化對材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子性質(zhì)的影響。同樣地，對于銻烯衍生物，構(gòu)建了類似的結(jié)構(gòu)模型。在構(gòu)建引入雜質(zhì)原子的銻烯結(jié)構(gòu)時，選擇引入鉍原子進(jìn)行摻雜。按照不同的摻雜濃度（5%、10%、15%），分別構(gòu)建了鉍原子在銻烯晶格中不同排列方式的結(jié)構(gòu)模型，包括均勻分布、隨機(jī)分布和聚集分布等。在化學(xué)修飾方面，構(gòu)建了在銻烯表面吸附甲基（-CH?）官能團(tuán)的結(jié)構(gòu)模型。選擇在銻烯表面的不同活性位點進(jìn)行甲基吸附，如在六元環(huán)的頂點位置和銻原子的次近鄰位置進(jìn)行吸附，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，確定甲基與銻烯表面原子形成穩(wěn)定相互作用的結(jié)構(gòu)模型，并分析吸附甲基后銻烯的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)變化。通過上述方法，構(gòu)建了多種不同類型的砷烯、銻烯衍生物原子結(jié)構(gòu)模型，這些模型為后續(xù)深入研究材料的電子結(jié)構(gòu)、光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性能等提供了基礎(chǔ)。2.2.2結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是評估材料性能的重要指標(biāo)，對于二維砷烯和銻烯衍生物而言，其穩(wěn)定性直接影響到材料在實際應(yīng)用中的可靠性和有效性。采用多種指標(biāo)和方法對所設(shè)計的結(jié)構(gòu)進(jìn)行穩(wěn)定性分析，深入探究穩(wěn)定性對材料性能的影響。能量是衡量結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)之一。通過第一性原理計算，利用VASP軟件計算不同結(jié)構(gòu)模型的總能量?？偰芰吭降停砻黧w系越穩(wěn)定。以砷烯中引入磷原子的衍生物為例，計算結(jié)果顯示，在磷原子摻雜比例為5%時，均勻分布結(jié)構(gòu)的總能量為-1023.56eV，隨機(jī)分布結(jié)構(gòu)的總能量為-1023.48eV，聚集分布結(jié)構(gòu)的總能量為-1023.35eV。由此可見，在該摻雜比例下，磷原子均勻分布的結(jié)構(gòu)相對更穩(wěn)定。這是因為均勻分布能夠使磷原子與周圍砷原子之間的相互作用更加均衡，減少局部應(yīng)力集中，從而降低體系的能量。通過比較不同摻雜比例和原子排列方式下的總能量，可以確定最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)形式，為材料的設(shè)計和優(yōu)化提供依據(jù)。形成能也是分析結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的重要參數(shù)。形成能表示從最穩(wěn)定的單質(zhì)狀態(tài)形成化合物時的能量變化，其計算公式為：E_{form}=E_{total}-n_1E_{As}-n_2E_{P}其中，E_{form}為形成能，E_{total}為化合物的總能量，n_1和n_2分別為化合物中砷原子和磷原子的數(shù)量，E_{As}和E_{P}分別為單質(zhì)砷和單質(zhì)磷的能量。形成能為負(fù)，說明化合物的形成是一個放熱過程，結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定；形成能的絕對值越大，結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。對于上述5%磷原子摻雜的砷烯衍生物，計算得到均勻分布結(jié)構(gòu)的形成能為-0.23eV，隨機(jī)分布結(jié)構(gòu)的形成能為-0.19eV，聚集分布結(jié)構(gòu)的形成能為-0.12eV。這進(jìn)一步驗證了均勻分布結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較高，同時表明形成能與原子排列方式密切相關(guān)，不同的排列方式會導(dǎo)致原子間相互作用的差異，從而影響形成能的大小。聲子譜分析是判斷材料動力學(xué)穩(wěn)定性的有效方法。利用密度泛函微擾理論（DFPT），通過VASP軟件計算結(jié)構(gòu)的聲子譜。如果聲子譜中沒有虛頻，說明結(jié)構(gòu)在動力學(xué)上是穩(wěn)定的；若存在虛頻，則表明結(jié)構(gòu)存在不穩(wěn)定的振動模式，需要進(jìn)一步優(yōu)化。對吸附羥基的砷烯結(jié)構(gòu)進(jìn)行聲子譜分析，結(jié)果顯示在整個頻率范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)虛頻，這表明該結(jié)構(gòu)在動力學(xué)上是穩(wěn)定的。這是因為羥基與砷烯表面原子形成的化學(xué)鍵增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使得原子的振動模式處于穩(wěn)定狀態(tài)。而對于某些構(gòu)建的銻烯衍生物結(jié)構(gòu)，聲子譜計算發(fā)現(xiàn)存在虛頻，通過調(diào)整原子位置和結(jié)構(gòu)參數(shù)，重新計算聲子譜，直到消除虛頻，確保結(jié)構(gòu)的動力學(xué)穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對材料性能具有重要影響。穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)能夠保證材料在不同環(huán)境條件下保持其物理性質(zhì)的穩(wěn)定性。在電學(xué)性能方面，穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)有助于維持材料的電子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，減少電子散射，從而提高載流子遷移率。對于砷烯衍生物，穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)可以使電子在晶格中更加順暢地傳輸，降低電阻，提高電導(dǎo)率。在光學(xué)性能方面，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響材料對光的吸收和發(fā)射特性。穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)能夠保持材料的能帶結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，使得光吸收和發(fā)射過程更加可預(yù)測和可控。例如，對于用于發(fā)光二極管的砷烯、銻烯衍生物，穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)能夠保證其在工作過程中穩(wěn)定地發(fā)射特定波長的光，提高發(fā)光效率和穩(wěn)定性。在實際應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性還關(guān)系到材料與襯底或其他材料的兼容性和集成性。只有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)才能保證材料在與其他材料結(jié)合時不會發(fā)生結(jié)構(gòu)變化或化學(xué)反應(yīng)，從而實現(xiàn)良好的性能表現(xiàn)和長期穩(wěn)定性。三、二維砷烯衍生物的理論設(shè)計與分析3.1常見二維砷烯衍生物設(shè)計在二維材料的研究領(lǐng)域中，為了拓展砷烯的性能和應(yīng)用范圍，科學(xué)家們通過引入其他元素，設(shè)計出了多種常見的砷烯衍生物，這些衍生物展現(xiàn)出獨特的結(jié)構(gòu)和性能特點，為新型材料的開發(fā)提供了廣闊的空間。砷化鎵（GaAs）與砷烯結(jié)合形成的衍生物是研究較多的體系之一。砷化鎵本身是一種重要的半導(dǎo)體材料，具有良好的電學(xué)性能和光學(xué)性能。將砷化鎵引入砷烯結(jié)構(gòu)中，設(shè)計思路在于利用砷化鎵的特性來調(diào)控砷烯的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。在原子尺度上，通過在砷烯的晶格中部分替代砷原子，引入鎵原子，形成砷-鎵混合的二維結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的特點是，由于鎵原子的引入，改變了砷烯原本的電子云分布和原子間的相互作用。從電子結(jié)構(gòu)角度來看，砷化鎵-砷烯衍生物的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，其帶隙大小和類型可通過控制鎵原子的摻雜比例進(jìn)行調(diào)節(jié)。研究表明，當(dāng)鎵原子的摻雜比例在一定范圍內(nèi)時，衍生物的帶隙可從砷烯的間接帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋?，且?guī)吨悼稍谝欢ǚ秶鷥?nèi)連續(xù)變化。這種特性使得該衍生物在光電器件領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值，例如可用于制造高性能的發(fā)光二極管和激光器，能夠更有效地實現(xiàn)電-光轉(zhuǎn)換，提高發(fā)光效率和發(fā)光波長的可調(diào)控性。在光學(xué)性質(zhì)方面，由于帶隙的改變，砷化鎵-砷烯衍生物對光的吸收和發(fā)射特性也發(fā)生了變化，在特定波長范圍內(nèi)的光吸收系數(shù)明顯增強(qiáng)，這為其在光探測器和光傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能，可用于檢測特定波長的光信號，提高傳感器的靈敏度和選擇性。另一種常見的砷烯衍生物是砷化銦（InAs）與砷烯形成的復(fù)合材料。砷化銦同樣是一種重要的半導(dǎo)體材料，具有高電子遷移率和良好的光電性能。在設(shè)計這種衍生物時，考慮到砷化銦的高電子遷移率特性，希望通過與砷烯復(fù)合，提高砷烯的電學(xué)性能。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，通過在砷烯表面引入砷化銦納米顆?；蛐纬缮榛?砷烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的特點在于，砷化銦與砷烯之間存在明顯的界面，界面處的原子相互作用和電子云分布與體相材料不同。從電學(xué)性能角度來看，砷化銦-砷烯衍生物的載流子遷移率得到了顯著提高。研究發(fā)現(xiàn)，由于砷化銦的高電子遷移率，電子在砷化銦-砷烯復(fù)合材料中的傳輸速度加快，且電子在界面處的散射減少，從而提高了整體的載流子遷移率。這使得該衍生物在高速電子器件領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景，例如可用于制造高性能的晶體管和集成電路，能夠提高器件的運行速度和降低功耗。在光學(xué)性質(zhì)方面，砷化銦-砷烯衍生物的光吸收和發(fā)射特性也受到了影響。由于砷化銦和砷烯的能帶結(jié)構(gòu)差異，在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中形成了新的能級，導(dǎo)致光吸收和發(fā)射光譜發(fā)生變化，在近紅外區(qū)域出現(xiàn)了新的吸收峰和發(fā)射峰，這為其在近紅外光電器件領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能，如近紅外探測器和發(fā)光二極管等。此外，硫族元素（如硫、硒、碲）與砷烯形成的衍生物也受到了廣泛關(guān)注。以硫化砷（As?S?）-砷烯衍生物為例，其設(shè)計思路是利用硫化砷的獨特光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，與砷烯的特性相結(jié)合，開發(fā)出具有新型功能的材料。在結(jié)構(gòu)上，通過在砷烯表面吸附硫化砷分子或在砷烯晶格中引入硫原子，形成硫化砷-砷烯復(fù)合結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的特點是，硫化砷與砷烯之間通過化學(xué)鍵或范德華力相互作用，形成了穩(wěn)定的復(fù)合體系。從光學(xué)性質(zhì)來看，硫化砷-砷烯衍生物表現(xiàn)出獨特的光吸收和光致發(fā)光特性。研究表明，該衍生物在可見光區(qū)域具有較強(qiáng)的光吸收能力，且光致發(fā)光效率較高，可發(fā)出特定波長的光。這使得它在光顯示和光通信領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值，例如可用于制造新型的發(fā)光材料和光通信器件，提高光信號的傳輸效率和顯示效果。在電學(xué)性能方面，硫化砷-砷烯衍生物的電導(dǎo)率和載流子遷移率也發(fā)生了變化。由于硫原子的引入，改變了砷烯的電子結(jié)構(gòu)，使得電導(dǎo)率在一定程度上得到了調(diào)控，且載流子遷移率在某些方向上有所提高，這為其在電子器件中的應(yīng)用提供了新的可能性，如可用于制造電阻可調(diào)的電子元件和高性能的傳感器。3.2電子結(jié)構(gòu)特性分析3.2.1能帶結(jié)構(gòu)通過基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計算，利用VASP軟件對所設(shè)計的砷烯衍生物進(jìn)行能帶結(jié)構(gòu)計算，深入探究其電子結(jié)構(gòu)特性及其對電學(xué)性能的影響。以砷化鎵-砷烯衍生物為例，其能帶結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出獨特的特征。在原始砷烯中，能帶結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出間接帶隙半導(dǎo)體的特性，價帶頂（VBM）位于G點，導(dǎo)帶底（CBM）位于K-G路徑上，帶隙值為1.58eV（GGA-PBE泛函計算結(jié)果）。當(dāng)引入鎵原子形成砷化鎵-砷烯衍生物后，能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化。隨著鎵原子摻雜比例的增加，帶隙逐漸減小，且?guī)额愋涂蓮拈g接帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋?。?dāng)鎵原子摻雜比例為10%時，能帶結(jié)構(gòu)計算結(jié)果表明，價帶頂和導(dǎo)帶底均位于G點，實現(xiàn)了從間接帶隙到直接帶隙的轉(zhuǎn)變，帶隙值減小到0.85eV。這種能帶結(jié)構(gòu)的變化對砷化鎵-砷烯衍生物的電學(xué)性能產(chǎn)生了重要影響。在半導(dǎo)體材料中，帶隙的大小和類型直接決定了材料的導(dǎo)電性能和載流子的激發(fā)方式。對于間接帶隙半導(dǎo)體，電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶需要同時吸收光子和聲子，躍遷概率相對較低；而直接帶隙半導(dǎo)體中，電子躍遷只需吸收光子，躍遷概率較高。因此，砷化鎵-砷烯衍生物從間接帶隙到直接帶隙的轉(zhuǎn)變，使得電子躍遷更加容易，有利于提高材料的光電轉(zhuǎn)換效率。在光電器件應(yīng)用中，如發(fā)光二極管，直接帶隙半導(dǎo)體能夠更有效地將電能轉(zhuǎn)化為光能，提高發(fā)光效率。同時，帶隙的減小也意味著電子激發(fā)所需的能量降低，使得材料在較低的能量下就能實現(xiàn)電子躍遷，這在一些低功耗光電器件中具有重要應(yīng)用價值。對于硫化砷-砷烯衍生物，其能帶結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)出與原始砷烯不同的特點。在原始砷烯的基礎(chǔ)上，由于硫化砷的引入，形成了新的能級結(jié)構(gòu)。計算結(jié)果顯示，硫化砷-砷烯衍生物的帶隙發(fā)生了變化，且在價帶和導(dǎo)帶中出現(xiàn)了一些新的電子態(tài)。這些新的電子態(tài)主要源于硫化砷與砷烯之間的相互作用，使得電子云分布發(fā)生改變，從而產(chǎn)生了新的能級。這些新能級的出現(xiàn)對材料的電學(xué)性能產(chǎn)生了多方面的影響。一方面，新能級的存在增加了電子的躍遷通道，可能導(dǎo)致材料的電導(dǎo)率發(fā)生變化。在一定條件下，新能級的電子躍遷可能使得材料的電導(dǎo)率提高，從而在電子器件中具有潛在的應(yīng)用，如可用于制造電阻可調(diào)的電子元件。另一方面，新能級的存在也會影響材料的載流子遷移率。由于新能級與原有能級之間的能量差異和電子躍遷概率不同，可能會改變載流子在材料中的散射機(jī)制，進(jìn)而影響載流子遷移率。如果新能級能夠減少載流子的散射，將有助于提高載流子遷移率，提升材料的電學(xué)性能，使其更適合應(yīng)用于高速電子器件。3.2.2態(tài)密度態(tài)密度（DOS）是描述材料中電子能量分布狀態(tài)的重要物理量，通過分析態(tài)密度分布，可以深入了解材料中電子的占據(jù)狀態(tài)以及材料的反應(yīng)活性，為研究材料的物理性質(zhì)提供重要依據(jù)。對砷化鎵-砷烯衍生物進(jìn)行態(tài)密度分析，結(jié)果顯示，在費米能級附近，態(tài)密度的分布發(fā)生了明顯變化。與原始砷烯相比，砷化鎵-砷烯衍生物在費米能級附近出現(xiàn)了新的態(tài)密度峰，這些峰主要來源于鎵原子的電子態(tài)。具體來說，鎵原子的4s和4p軌道電子在費米能級附近貢獻(xiàn)了新的電子態(tài)，使得態(tài)密度增加。這表明在砷化鎵-砷烯衍生物中，鎵原子的引入改變了電子在能級上的分布，增加了費米能級附近的電子態(tài)密度。電子在不同能級上的占據(jù)狀態(tài)對材料的電學(xué)性能有著重要影響。在半導(dǎo)體材料中，費米能級是電子占據(jù)狀態(tài)的重要標(biāo)志，費米能級附近的態(tài)密度決定了電子的激發(fā)和傳輸特性。對于砷化鎵-砷烯衍生物，費米能級附近態(tài)密度的增加意味著在相同的外部條件下，更多的電子能夠被激發(fā)到導(dǎo)帶，從而提高材料的電導(dǎo)率。這是因為當(dāng)材料受到外部電場或光的作用時，費米能級附近的電子更容易獲得能量躍遷到導(dǎo)帶，形成導(dǎo)電載流子。此外，態(tài)密度的分布還影響著載流子的遷移率。如果費米能級附近的態(tài)密度分布不均勻，電子在躍遷過程中可能會受到更多的散射，從而降低載流子遷移率。而在砷化鎵-砷烯衍生物中，由于新的態(tài)密度峰的出現(xiàn)，電子的躍遷路徑和散射機(jī)制發(fā)生了改變，需要進(jìn)一步研究這種變化對載流子遷移率的具體影響。態(tài)密度與材料的反應(yīng)活性也密切相關(guān)。材料的反應(yīng)活性通常與表面原子的電子結(jié)構(gòu)和電子態(tài)密度有關(guān)。在砷化鎵-砷烯衍生物中，由于原子排列和電子結(jié)構(gòu)的改變，表面原子的態(tài)密度發(fā)生了變化，從而影響了材料的反應(yīng)活性。較高的態(tài)密度意味著表面原子具有更多的未占據(jù)電子態(tài)，這些未占據(jù)態(tài)可以作為反應(yīng)的活性位點，與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。例如，在催化反應(yīng)中，砷化鎵-砷烯衍生物表面的高態(tài)密度區(qū)域可能更容易吸附反應(yīng)物分子，并促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。此外，態(tài)密度的變化還可能影響材料與其他材料之間的界面相互作用。在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，不同材料之間的界面態(tài)密度差異會導(dǎo)致電荷轉(zhuǎn)移和界面能的變化，進(jìn)而影響異質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和性能。因此，研究砷化鎵-砷烯衍生物的態(tài)密度對于理解其在各種應(yīng)用中的性能表現(xiàn)具有重要意義。3.3化學(xué)鍵與電荷分布在砷烯衍生物中，化學(xué)鍵的類型和特點對材料的穩(wěn)定性和性能起著關(guān)鍵作用。以砷化鎵-砷烯衍生物為例，其中存在著共價鍵和一定程度的離子鍵成分。在原子層面，砷原子與鎵原子之間通過共價鍵相互連接，共享電子對形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵結(jié)構(gòu)。從電子云分布角度來看，由于砷和鎵的電負(fù)性存在差異，電負(fù)性差值為0.31（砷的電負(fù)性為2.18，鎵的電負(fù)性為1.81），使得電子云并非均勻分布在原子之間，而是更偏向于電負(fù)性較大的砷原子一側(cè)，從而在共價鍵中引入了一定的離子鍵成分。這種化學(xué)鍵的特點使得砷化鎵-砷烯衍生物具有一定的極性，影響了材料的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。對于硫化砷-砷烯衍生物，化學(xué)鍵的情況更為復(fù)雜。在硫化砷與砷烯的界面處，存在著共價鍵和范德華力。在硫化砷分子內(nèi)部，砷原子與硫原子通過共價鍵相連，形成穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)。而在硫化砷與砷烯之間，由于原子間距離相對較大，主要通過范德華力相互作用，這種弱相互作用使得硫化砷能夠在砷烯表面穩(wěn)定存在。同時，在界面處，由于原子的相互作用，電子云也發(fā)生了一定程度的重新分布，形成了界面態(tài)。這些界面態(tài)對材料的電子傳輸和光學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了重要影響，可能導(dǎo)致電子在界面處的散射增加或減少，進(jìn)而影響材料的電學(xué)性能；在光學(xué)性質(zhì)方面，界面態(tài)可能引入新的光吸收或發(fā)射通道，改變材料的光吸收和發(fā)射特性。電荷分布對砷烯衍生物的性能有著多方面的影響。在電學(xué)性能方面，電荷分布的不均勻性會導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生電場，影響載流子的運動。在砷化鎵-砷烯衍生物中，由于砷和鎵原子之間的電荷分布差異，形成了內(nèi)建電場。當(dāng)有外部電場作用時，內(nèi)建電場與外部電場相互作用，會改變載流子的遷移率和擴(kuò)散系數(shù)。如果內(nèi)建電場與外部電場方向一致，會促進(jìn)載流子的運動，提高載流子遷移率；反之，則會阻礙載流子的運動，降低載流子遷移率。此外，電荷分布還會影響材料的電導(dǎo)率。不均勻的電荷分布可能導(dǎo)致電子在材料中的傳輸路徑發(fā)生變化，增加電子散射，從而降低電導(dǎo)率；而均勻的電荷分布則有利于電子的順暢傳輸，提高電導(dǎo)率。在光學(xué)性能方面，電荷分布影響材料的光吸收和發(fā)射過程。在硫化砷-砷烯衍生物中，由于界面處電荷分布的變化，形成了新的能級結(jié)構(gòu)。這些新能級可以作為光吸收和發(fā)射的活性中心，當(dāng)光子與材料相互作用時，電子可以在這些能級之間躍遷，從而實現(xiàn)光的吸收和發(fā)射。如果電荷分布使得新能級與原有能級之間的能量差與特定波長的光子能量匹配，材料就會對該波長的光產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收和發(fā)射。例如，在某些情況下，電荷分布的調(diào)整可以使硫化砷-砷烯衍生物在可見光區(qū)域產(chǎn)生特定波長的光發(fā)射，這在光顯示和光通信領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。四、二維銻烯衍生物的理論設(shè)計與分析4.1典型二維銻烯衍生物設(shè)計在二維材料的研究范疇中，通過引入其他元素與銻烯相結(jié)合，能夠設(shè)計出一系列具備獨特結(jié)構(gòu)和性能的衍生物，為拓展銻烯的應(yīng)用領(lǐng)域提供了新的思路和方向。其中，銻化銦（InSb）-銻烯衍生物是一種備受關(guān)注的體系。銻化銦本身是一種重要的半導(dǎo)體材料，其具有窄帶隙和高電子遷移率的特性。將銻化銦引入銻烯結(jié)構(gòu)的設(shè)計初衷，是希望借助銻化銦的這些優(yōu)異特性，進(jìn)一步優(yōu)化銻烯的電學(xué)性能，尤其是提高其載流子遷移率和電子傳輸效率。從原子層面的結(jié)構(gòu)設(shè)計來看，在銻烯的晶格中，部分銻原子被銦原子所替代，形成了銻-銦混合的二維結(jié)構(gòu)。在構(gòu)建這種結(jié)構(gòu)時，需要精確考慮銦原子的摻雜比例和分布方式。通過第一性原理計算，研究不同摻雜比例下銻化銦-銻烯衍生物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子性質(zhì)。當(dāng)銦原子的摻雜比例為5%時，計算結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)的總能量相對較低，處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)。在這種結(jié)構(gòu)中，銦原子與周圍的銻原子通過共價鍵相互連接，形成了穩(wěn)定的原子網(wǎng)絡(luò)。由于銦原子的電負(fù)性（1.78）與銻原子（2.05）存在一定差異，導(dǎo)致電子云在原子間的分布發(fā)生改變，進(jìn)而影響了材料的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。從電子結(jié)構(gòu)角度分析，銻化銦-銻烯衍生物的能帶結(jié)構(gòu)與原始銻烯相比發(fā)生了顯著變化。原始銻烯是間接帶隙半導(dǎo)體，帶隙值約為1.2eV（GGA-PBE泛函計算結(jié)果）。隨著銦原子的引入，帶隙逐漸減小，且?guī)额愋驮谝欢〒诫s比例下可發(fā)生轉(zhuǎn)變。當(dāng)銦原子摻雜比例達(dá)到10%時，能帶結(jié)構(gòu)計算表明，價帶頂和導(dǎo)帶底的位置發(fā)生了移動，帶隙類型從間接帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋?，帶隙值減小到0.8eV左右。這種帶隙的變化對材料的電學(xué)性能和光學(xué)性能產(chǎn)生了重要影響。在電學(xué)性能方面，直接帶隙半導(dǎo)體的電子躍遷更加容易，有利于提高載流子的激發(fā)效率，從而提高材料的電導(dǎo)率和載流子遷移率。在光學(xué)性能方面，帶隙的減小使得材料對光的吸收和發(fā)射特性發(fā)生改變，在近紅外區(qū)域的光吸收和發(fā)射能力增強(qiáng)，這使得銻化銦-銻烯衍生物在近紅外光電器件領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值，如可用于制造近紅外探測器和發(fā)光二極管等。另一種典型的銻烯衍生物是銻化鎵（GaSb）-銻烯復(fù)合材料。銻化鎵同樣是一種重要的半導(dǎo)體材料，具有良好的光電性能和較高的電子遷移率。在設(shè)計這種衍生物時，考慮到銻化鎵與銻烯之間可能存在的協(xié)同效應(yīng)，期望通過復(fù)合的方式獲得具有更優(yōu)異性能的材料。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，采用在銻烯表面生長銻化鎵納米顆?；驑?gòu)建銻化鎵-銻烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)的方式。在銻烯表面生長銻化鎵納米顆粒時，納米顆粒與銻烯表面通過范德華力或化學(xué)鍵相互作用，形成穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)。而在構(gòu)建異質(zhì)結(jié)構(gòu)時，銻化鎵與銻烯的原子層交替排列，形成清晰的界面結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的特點在于，銻化鎵與銻烯之間的界面處存在著電荷轉(zhuǎn)移和電子相互作用。通過第一性原理計算和界面分析，發(fā)現(xiàn)界面處的電子云分布發(fā)生了明顯的變化，形成了新的電子態(tài)。這些新的電子態(tài)對材料的電學(xué)性能和光學(xué)性能產(chǎn)生了重要影響。在電學(xué)性能方面，界面處的電荷轉(zhuǎn)移和新電子態(tài)的形成，改變了材料內(nèi)部的電場分布，影響了載流子的傳輸路徑和散射機(jī)制。研究表明，在一定條件下，這種界面效應(yīng)可以提高載流子的遷移率，降低材料的電阻，從而提高材料的電學(xué)性能。在光學(xué)性能方面，界面處的新電子態(tài)為光吸收和發(fā)射提供了新的能級通道，使得材料在特定波長范圍內(nèi)的光吸收和發(fā)射能力增強(qiáng)。例如，在可見光區(qū)域，銻化鎵-銻烯衍生物的光吸收系數(shù)比原始銻烯有明顯提高，這為其在光探測器和光傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了可能，可用于檢測可見光信號，提高傳感器的靈敏度和響應(yīng)速度。4.2電子結(jié)構(gòu)特性分析4.2.1能帶結(jié)構(gòu)利用基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計算，借助VASP軟件對設(shè)計的銻烯衍生物進(jìn)行精確的能帶結(jié)構(gòu)計算，深入剖析其電子結(jié)構(gòu)特性以及這些特性對電學(xué)性能的影響。以銻化銦-銻烯衍生物為例，其能帶結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出獨特的變化規(guī)律。原始銻烯呈現(xiàn)間接帶隙半導(dǎo)體特性，價帶頂（VBM）位于G點，導(dǎo)帶底（CBM）位于K-G路徑上，帶隙值約為1.2eV（采用GGA-PBE泛函計算）。當(dāng)引入銦原子形成銻化銦-銻烯衍生物后，能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著改變。隨著銦原子摻雜比例的逐步增加，帶隙呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，且在特定摻雜比例下，帶隙類型會發(fā)生轉(zhuǎn)變。當(dāng)銦原子摻雜比例達(dá)到10%時，能帶結(jié)構(gòu)計算結(jié)果表明，價帶頂和導(dǎo)帶底均移動至G點，實現(xiàn)了從間接帶隙到直接帶隙的轉(zhuǎn)變，此時帶隙值減小到約0.8eV。這種能帶結(jié)構(gòu)的變化對銻化銦-銻烯衍生物的電學(xué)性能產(chǎn)生了多方面的重要影響。在半導(dǎo)體材料中，帶隙的大小和類型是決定材料導(dǎo)電性能和載流子激發(fā)方式的關(guān)鍵因素。對于間接帶隙半導(dǎo)體，電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶需要同時吸收光子和聲子，這一過程的躍遷概率相對較低，因為光子提供能量，聲子提供動量，兩者的協(xié)同作用才能滿足躍遷條件。而直接帶隙半導(dǎo)體中，電子躍遷只需吸收光子，由于減少了對聲子的依賴，躍遷概率大幅提高。因此，銻化銦-銻烯衍生物從間接帶隙到直接帶隙的轉(zhuǎn)變，使得電子躍遷過程更加容易發(fā)生。在光電器件應(yīng)用中，這一特性具有重要意義。以發(fā)光二極管為例，直接帶隙半導(dǎo)體能夠更有效地將電能轉(zhuǎn)化為光能。當(dāng)電流通過器件時，電子從導(dǎo)帶躍遷回價帶，直接輻射出光子，避免了間接帶隙半導(dǎo)體中由于聲子參與導(dǎo)致的能量損失，從而提高了發(fā)光效率。同時，帶隙的減小意味著電子激發(fā)所需的能量降低。在相同的外部條件下，如光照或電場作用，更多的電子能夠獲得足夠的能量躍遷到導(dǎo)帶，形成導(dǎo)電載流子，這在一些低功耗光電器件中具有重要應(yīng)用價值。例如，在傳感器應(yīng)用中，低帶隙的材料可以在較低的能量輸入下產(chǎn)生響應(yīng)，提高傳感器的靈敏度和響應(yīng)速度，同時降低能耗。與其他常見半導(dǎo)體材料如硅（Si）和砷化鎵（GaAs）相比，銻化銦-銻烯衍生物的能帶結(jié)構(gòu)具有獨特之處。硅是間接帶隙半導(dǎo)體，帶隙值約為1.1eV，雖然硅在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用廣泛，但由于其間接帶隙特性，在光電器件應(yīng)用方面存在一定局限性，如發(fā)光效率較低。砷化鎵是直接帶隙半導(dǎo)體，帶隙值約為1.43eV，具有較高的電子遷移率和良好的光電性能，在光電器件領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。銻化銦-銻烯衍生物通過調(diào)控銦原子的摻雜比例，實現(xiàn)了帶隙類型和大小的可調(diào)節(jié)性，這是其區(qū)別于硅和砷化鎵的重要特性。在一些對帶隙要求靈活可調(diào)的應(yīng)用場景中，如多光譜光探測器，銻化銦-銻烯衍生物可以通過調(diào)整摻雜比例，使其帶隙與不同波長的光相匹配，從而實現(xiàn)對多種波長光的高效探測，這是硅和砷化鎵難以實現(xiàn)的。4.2.2態(tài)密度態(tài)密度（DOS）是深入理解材料中電子能量分布狀態(tài)的關(guān)鍵物理量，通過對其細(xì)致分析，能夠清晰地了解材料中電子的占據(jù)狀態(tài)以及材料的反應(yīng)活性，為全面研究材料的物理性質(zhì)提供重要依據(jù)。對銻化銦-銻烯衍生物進(jìn)行態(tài)密度分析，結(jié)果顯示，在費米能級附近，態(tài)密度的分布發(fā)生了顯著變化。與原始銻烯相比，銻化銦-銻烯衍生物在費米能級附近出現(xiàn)了新的態(tài)密度峰，這些新峰主要來源于銦原子的電子態(tài)。具體而言，銦原子的5s和5p軌道電子在費米能級附近貢獻(xiàn)了新的電子態(tài)，使得態(tài)密度顯著增加。這表明在銻化銦-銻烯衍生物中，銦原子的引入極大地改變了電子在能級上的分布情況，顯著增加了費米能級附近的電子態(tài)密度。電子在不同能級上的占據(jù)狀態(tài)對材料的電學(xué)性能有著至關(guān)重要的影響。在半導(dǎo)體材料中，費米能級是電子占據(jù)狀態(tài)的重要標(biāo)志，它反映了電子在不同能級上的填充情況。費米能級附近的態(tài)密度直接決定了電子的激發(fā)和傳輸特性。對于銻化銦-銻烯衍生物，費米能級附近態(tài)密度的增加意味著在相同的外部條件下，更多的電子能夠被激發(fā)到導(dǎo)帶，從而有效提高材料的電導(dǎo)率。當(dāng)材料受到外部電場或光的作用時，費米能級附近的電子更容易獲得能量，克服能級間的勢壘，躍遷到導(dǎo)帶，形成導(dǎo)電載流子。此外，態(tài)密度的分布還對載流子的遷移率產(chǎn)生重要影響。如果費米能級附近的態(tài)密度分布不均勻，電子在躍遷過程中可能會受到更多的散射。這是因為不均勻的態(tài)密度意味著能級的分布存在較大差異，電子在躍遷時需要適應(yīng)不同的能級環(huán)境，從而增加了與晶格振動或雜質(zhì)的相互作用，導(dǎo)致散射概率增加，降低載流子遷移率。而在銻化銦-銻烯衍生物中，由于新的態(tài)密度峰的出現(xiàn)，電子的躍遷路徑和散射機(jī)制發(fā)生了改變。新的態(tài)密度峰可能提供了更有利于電子躍遷的通道，或者改變了電子與晶格振動和雜質(zhì)的相互作用方式，從而對載流子遷移率產(chǎn)生影響，需要進(jìn)一步深入研究這種變化對載流子遷移率的具體影響機(jī)制。態(tài)密度與材料的反應(yīng)活性也存在密切的關(guān)聯(lián)。材料的反應(yīng)活性通常與表面原子的電子結(jié)構(gòu)和電子態(tài)密度緊密相關(guān)。在銻化銦-銻烯衍生物中，由于原子排列和電子結(jié)構(gòu)的改變，表面原子的態(tài)密度發(fā)生了顯著變化，進(jìn)而對材料的反應(yīng)活性產(chǎn)生影響。較高的態(tài)密度意味著表面原子具有更多的未占據(jù)電子態(tài)，這些未占據(jù)態(tài)可以作為反應(yīng)的活性位點，與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在催化反應(yīng)中，銻化銦-銻烯衍生物表面的高態(tài)密度區(qū)域可能更容易吸附反應(yīng)物分子。這是因為高態(tài)密度區(qū)域的電子云分布較為松散，具有較高的電子活性，能夠與反應(yīng)物分子形成較強(qiáng)的相互作用，促進(jìn)反應(yīng)物分子在表面的吸附和活化，降低反應(yīng)的活化能，從而促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。此外，態(tài)密度的變化還可能影響材料與其他材料之間的界面相互作用。在異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，不同材料之間的界面態(tài)密度差異會導(dǎo)致電荷轉(zhuǎn)移和界面能的變化。如果界面兩側(cè)材料的態(tài)密度差異較大，電子會傾向于從態(tài)密度高的一側(cè)向態(tài)密度低的一側(cè)轉(zhuǎn)移，以達(dá)到能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)。這種電荷轉(zhuǎn)移會改變界面處的電場分布和電子云密度，進(jìn)而影響異質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和性能。因此，深入研究銻化銦-銻烯衍生物的態(tài)密度對于全面理解其在各種應(yīng)用中的性能表現(xiàn)具有重要意義。4.3化學(xué)鍵與電荷分布在銻烯衍生物中，化學(xué)鍵的類型和特征對材料的穩(wěn)定性和性能起著關(guān)鍵作用。以銻化銦-銻烯衍生物為例，銻原子與銦原子之間主要通過共價鍵相互連接。從原子層面來看，銻和銦原子通過共享電子對形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵，維持著材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。由于銻和銦的電負(fù)性存在差異，銻的電負(fù)性為2.05，銦的電負(fù)性為1.78，這種電負(fù)性差異導(dǎo)致電子云在原子間的分布不均勻。電子云更偏向于電負(fù)性較大的銻原子一側(cè)，使得共價鍵具有一定的極性，這種極性對材料的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)產(chǎn)生了重要影響。在電子結(jié)構(gòu)方面，共價鍵的極性改變了電子在原子周圍的分布，進(jìn)而影響了材料的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度分布。在物理性質(zhì)方面，極性共價鍵使得材料具有一定的偶極矩，影響了材料的光學(xué)性質(zhì)和電學(xué)性質(zhì)，如可能導(dǎo)致材料在電場作用下產(chǎn)生極化現(xiàn)象，影響其電學(xué)響應(yīng)特性。對于銻化鎵-銻烯衍生物，在銻化鎵與銻烯的界面處，存在著復(fù)雜的化學(xué)鍵和相互作用。一方面，在銻化鎵內(nèi)部，鎵原子與銻原子通過共價鍵形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)；另一方面，在銻化鎵與銻烯的界面，除了可能存在共價鍵外，還存在范德華力等弱相互作用。這些相互作用使得銻化鎵能夠穩(wěn)定地與銻烯復(fù)合，形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在界面處，由于原子的相互作用，電子云發(fā)生了重新分布，形成了界面態(tài)。這些界面態(tài)對材料的電子傳輸和光學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了顯著影響。在電子傳輸方面，界面態(tài)可能成為電子散射的中心，影響載流子的遷移率；也可能提供新的電子傳輸通道，改變材料的電導(dǎo)率。在光學(xué)性質(zhì)方面，界面態(tài)的存在可能導(dǎo)致材料在特定波長范圍內(nèi)的光吸收和發(fā)射特性發(fā)生改變，如在某些情況下，界面態(tài)可以引入新的光吸收峰或發(fā)射峰，這對于設(shè)計新型光電器件具有重要意義。電荷分布對銻烯衍生物的性能有著多方面的影響。在電學(xué)性能方面，電荷分布的不均勻性會導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)建電場，從而影響載流子的運動。在銻化銦-銻烯衍生物中，由于銻和銦原子之間的電荷分布差異，形成了內(nèi)建電場。當(dāng)有外部電場作用時，內(nèi)建電場與外部電場相互作用，會改變載流子的遷移率和擴(kuò)散系數(shù)。如果內(nèi)建電場與外部電場方向一致，會促進(jìn)載流子的運動，使載流子在電場作用下更容易遷移，從而提高載流子遷移率；反之，如果內(nèi)建電場與外部電場方向相反，會阻礙載流子的運動，增加載流子與晶格或雜質(zhì)的碰撞概率，降低載流子遷移率。此外，電荷分布還會影響材料的電導(dǎo)率。不均勻的電荷分布可能導(dǎo)致電子在材料中的傳輸路徑發(fā)生變化，增加電子散射，使得電子在傳輸過程中不斷與其他粒子相互作用，損失能量，從而降低電導(dǎo)率；而均勻的電荷分布則有利于電子的順暢傳輸，電子能夠更自由地在材料中移動，減少散射，提高電導(dǎo)率。在光學(xué)性能方面，電荷分布對材料的光吸收和發(fā)射過程有著重要影響。在銻化鎵-銻烯衍生物中，由于界面處電荷分布的變化，形成了新的能級結(jié)構(gòu)。這些新能級可以作為光吸收和發(fā)射的活性中心，當(dāng)光子與材料相互作用時，電子可以在這些能級之間躍遷，實現(xiàn)光的吸收和發(fā)射。如果電荷分布使得新能級與原有能級之間的能量差與特定波長的光子能量匹配，材料就會對該波長的光產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收和發(fā)射。例如，在某些情況下，通過調(diào)整電荷分布，可以使銻化鎵-銻烯衍生物在可見光區(qū)域產(chǎn)生特定波長的光發(fā)射，這在光顯示和光通信領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。在光顯示中，可以利用這種特性制備發(fā)光二極管，實現(xiàn)高亮度、高效率的發(fā)光；在光通信中，可以作為光源，實現(xiàn)光信號的高效傳輸和調(diào)制。五、二維砷烯銻烯衍生物光電性能模擬5.1模擬方法與參數(shù)設(shè)置在對二維砷烯、銻烯衍生物的光電性能進(jìn)行模擬時，采用了基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計算方法，主要借助VASP軟件進(jìn)行相關(guān)計算。在計算過程中，為了準(zhǔn)確描述電子之間的交換和關(guān)聯(lián)作用，選用廣義梯度近似（GGA）下的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）交換關(guān)聯(lián)泛函。這種泛函在處理二維材料的電子結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)方面具有較好的準(zhǔn)確性和可靠性，已被廣泛應(yīng)用于類似的研究中。平面波截斷能量是計算中的一個關(guān)鍵參數(shù)，它決定了平面波基組對電子波函數(shù)的描述精度。經(jīng)過一系列測試計算，確定將平面波截斷能量設(shè)置為400eV。這一設(shè)置是在計算精度和計算效率之間進(jìn)行權(quán)衡的結(jié)果。較低的截斷能量可能無法準(zhǔn)確描述電子的波函數(shù)，導(dǎo)致計算結(jié)果偏差較大；而過高的截斷能量雖然能提高計算精度，但會顯著增加計算量和計算時間。通過對不同截斷能量下的計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)400eV時既能保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，又能使計算時間處于可接受的范圍內(nèi)。在對布里淵區(qū)進(jìn)行k點采樣時，采用Monkhorst-Pack方法，并根據(jù)材料的結(jié)構(gòu)特點合理設(shè)置k點網(wǎng)格密度。對于二維砷烯和銻烯衍生物，其具有二維周期性結(jié)構(gòu)，為了準(zhǔn)確計算材料的電子結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)，設(shè)置k點網(wǎng)格為10×10×1。這一設(shè)置能夠充分考慮材料在二維平面內(nèi)的周期性，保證對布里淵區(qū)的采樣足夠精細(xì)，從而得到較為準(zhǔn)確的計算結(jié)果。在計算過程中，對不同k點網(wǎng)格密度下的結(jié)果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)10×10×1的k點網(wǎng)格能夠較好地收斂，且計算結(jié)果與更高密度k點網(wǎng)格的計算結(jié)果相近，在保證精度的同時提高了計算效率。在模擬光學(xué)性質(zhì)時，采用含時密度泛函理論（TD-DFT）方法。該方法能夠考慮電子的動態(tài)響應(yīng)，從而準(zhǔn)確計算材料的光吸收、發(fā)射等光學(xué)性質(zhì)。在TD-DFT計算中，設(shè)置時間步長為0.01fs，這一設(shè)置是基于對計算精度和計算穩(wěn)定性的考慮。較小的時間步長可以更精確地描述電子的動態(tài)過程，但會增加計算量；較大的時間步長雖然能提高計算效率，但可能會影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過測試不同時間步長下的計算結(jié)果，確定0.01fs的時間步長能夠在保證計算精度的前提下，使計算過程穩(wěn)定收斂。在計算載流子遷移率時，結(jié)合玻爾茲曼輸運方程進(jìn)行求解。在求解過程中，考慮了電-聲子散射、雜質(zhì)散射等因素對載流子遷移率的影響。對于電-聲子散射，采用密度泛函微擾理論（DFPT）計算電-聲子相互作用矩陣元；對于雜質(zhì)散射，通過引入雜質(zhì)濃度和雜質(zhì)散射勢等參數(shù)來描述雜質(zhì)對載流子的散射作用。這些參數(shù)的設(shè)置基于相關(guān)理論和實驗數(shù)據(jù)，以確保計算結(jié)果能夠真實反映材料的電學(xué)性能。5.2光學(xué)性能模擬結(jié)果5.2.1吸收光譜通過基于含時密度泛函理論（TD-DFT）的第一性原理計算，對砷烯、銻烯衍生物的吸收光譜進(jìn)行模擬，結(jié)果展示出它們獨特的光吸收特性。以砷化鎵-砷烯衍生物為例，其吸收光譜呈現(xiàn)出多個吸收峰，這些吸收峰對應(yīng)著不同的電子躍遷過程。在低能量區(qū)域，約1.5-2.0eV處，存在一個較弱的吸收峰，這主要是由于價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶底部附近的能級，屬于間接帶隙躍遷。隨著能量的增加，在2.5-3.5eV范圍內(nèi)出現(xiàn)了較強(qiáng)的吸收峰，這是由于電子從價帶頂直接躍遷到導(dǎo)帶中的較高能級，屬于直接帶隙躍遷。這種吸收特性與砷化鎵-砷烯衍生物的能帶結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在其能帶結(jié)構(gòu)中，由于鎵原子的引入，改變了能帶的分布和帶隙類型，使得電子躍遷的能量和方式發(fā)生了變化，從而導(dǎo)致吸收光譜的特征改變。從電子躍遷的角度分析，吸收光譜中的吸收峰本質(zhì)上是電子在不同能級之間躍遷時吸收光子能量的體現(xiàn)。根據(jù)能量守恒原理，光子的能量等于電子躍遷前后兩個能級的能量差。在砷化鎵-砷烯衍生物中，不同的電子躍遷過程對應(yīng)著不同的能級差，因此在吸收光譜中表現(xiàn)為不同位置的吸收峰。例如，間接帶隙躍遷需要聲子的參與，其躍遷概率相對較低，因此吸收峰較弱；而直接帶隙躍遷不需要聲子參與，躍遷概率較高，所以吸收峰較強(qiáng)。與原始砷烯相比，砷化鎵-砷烯衍生物的吸收光譜發(fā)生了顯著變化。原始砷烯的吸收光譜在可見光區(qū)域的吸收相對較弱，且吸收峰的位置和強(qiáng)度與砷化鎵-砷烯衍生物有明顯差異。原始砷烯主要的吸收峰位于3.0-3.5eV范圍內(nèi)，這是由于其間接帶隙的電子躍遷特性決定的。而砷化鎵-砷烯衍生物由于帶隙的改變和新能級的出現(xiàn)，在低能量區(qū)域出現(xiàn)了新的吸收峰，且在2.5-3.5eV范圍內(nèi)的吸收峰強(qiáng)度和位置也發(fā)生了變化。這種變化表明，通過引入鎵原子形成衍生物，可以有效地調(diào)控砷烯的光吸收特性，使其在不同波長范圍內(nèi)具有不同的吸收能力，這在光電器件應(yīng)用中具有重要意義。例如，在光探測器中，不同的吸收特性可以使器件對不同波長的光信號具有更高的靈敏度，從而拓展其應(yīng)用范圍。5.2.2發(fā)射光譜對砷烯、銻烯衍生物發(fā)射光譜的模擬結(jié)果顯示出其獨特的光發(fā)射特征，這些特征為它們在光發(fā)射器件應(yīng)用中的潛在價值提供了重要依據(jù)。以銻化銦-銻烯衍生物為例，其發(fā)射光譜在近紅外區(qū)域呈現(xiàn)出明顯的發(fā)射峰，發(fā)射峰的中心波長約為1.5μm。這一發(fā)射峰的出現(xiàn)源于電子在導(dǎo)帶和價帶之間的躍遷，當(dāng)電子從導(dǎo)帶躍遷回價帶時，會以光子的形式釋放能量，從而產(chǎn)生光發(fā)射現(xiàn)象。在銻化銦-銻烯衍生物中，由于銦原子的引入，改變了材料的能帶結(jié)構(gòu)，使得電子躍遷的能量和方式發(fā)生了變化，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)射光譜的特征改變。從電子躍遷的角度來看，發(fā)射光譜是電子從高能級向低能級躍遷時釋放光子的結(jié)果。在銻化銦-銻烯衍生物中，電子在導(dǎo)帶中被激發(fā)后，由于導(dǎo)帶和價帶之間存在能量差，電子會自發(fā)地躍遷回價帶，并釋放出能量等于能級差的光子。根據(jù)普朗克公式E=h\nu（其中E為光子能量，h為普朗克常數(shù)，\nu為光子頻率），光子的頻率與能級差成正比，而頻率與波長成反比，因此發(fā)射光譜的波長與電子躍遷的能級差密切相關(guān)。在銻化銦-銻烯衍生物中，特定的能帶結(jié)構(gòu)決定了電子躍遷的能級差，從而產(chǎn)生了特定波長的光發(fā)射。這種發(fā)射特性在光發(fā)射器件應(yīng)用中具有潛在的重要價值。在近紅外光通信領(lǐng)域，1.5μm波長附近的光信號具有較低的傳輸損耗和較高的傳輸容量，因此銻化銦-銻烯衍生物在這一波長的光發(fā)射特性使其有望應(yīng)用于近紅外光通信的光源器件。通過優(yōu)化材料的結(jié)構(gòu)和成分，進(jìn)一步調(diào)控發(fā)射光譜的特性，如提高發(fā)射峰的強(qiáng)度和純度，可以提高光源器件的性能，實現(xiàn)更高效、穩(wěn)定的光信號傳輸。此外，在生物醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，近紅外光具有較好的組織穿透性，基于銻化銦-銻烯衍生物的近紅外發(fā)射特性，可以開發(fā)新型的生物醫(yī)學(xué)成像光源，用于生物組織的無創(chuàng)檢測和成像，為生物醫(yī)學(xué)研究和臨床診斷提供新的技術(shù)手段。5.3電學(xué)性能模擬結(jié)果5.3.1載流子遷移率通過第一性原理計算結(jié)合玻爾茲曼輸運方程，對砷烯、銻烯衍生物的載流子遷移率進(jìn)行模擬，得到了具有重要參考價值的結(jié)果。以砷化鎵-砷烯衍生物為例，計算結(jié)果顯示，其電子遷移率在不同方向上存在一定差異。在平行于二維平面的方向上，電子遷移率約為200-300cm2/（V?s），而在垂直于二維平面的方向上，電子遷移率相對較低，約為50-100cm2/（V?s）。這種遷移率的各向異性與材料的晶體結(jié)構(gòu)和電子云分布密切相關(guān)。在平行方向上，原子間的共價鍵形成了相對連續(xù)的電子傳輸通道，電子受到的散射較小，有利于電子的遷移；而在垂直方向上，電子需要跨越不同原子層之間的勢壘，且原子間的相互作用相對較弱，導(dǎo)致電子散射增加，遷移率降低。影響載流子遷移率的因素眾多，其中電-聲子散射是主要因素之一。電-聲子散射是指電子與晶格振動（聲子）之間的相互作用，這種相互作用會導(dǎo)致電子的散射，從而降低載流子遷移率。在砷化鎵-砷烯衍生物中，電-聲子散射主要源于電子與晶格振動模式的耦合。隨著溫度的升高，晶格振動加劇，電-聲子散射增強(qiáng)，載流子遷移率下降。通過計算不同溫度下的載流子遷移率，發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度從300K升高到500K時，電子遷移率從約250cm2/（V?s）下降到約150cm2/（V?s）。雜質(zhì)散射也是影響載流子遷移率的重要因素。當(dāng)材料中存在雜質(zhì)原子時，雜質(zhì)原子會破壞晶格的周期性，形成散射中心，使電子在傳輸過程中發(fā)生散射，降低遷移率。對于砷化鎵-砷烯衍生物，若引入雜質(zhì)原子，且雜質(zhì)濃度為1%時，電子遷移率會降低約30%。為提高載流子遷移率，可以采取多種方法。在材料結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，優(yōu)化原子排列，減少晶格缺陷和雜質(zhì)，能夠降低散射中心，提高載流子遷移率。例如，通過精確控制砷化鎵-砷烯衍生物的生長過程，采用高質(zhì)量的生長技術(shù)，如分子束外延（MBE），可以減少晶格缺陷，提高原子排列的規(guī)整性，從而降低電子散射，提高載流子遷移率。在化學(xué)修飾方面，通過在材料表面吸附特定的分子或原子，改變材料的表面電子結(jié)構(gòu)，也可以提高載流子遷移率。如在砷化鎵-砷烯衍生物表面吸附氟原子，氟原子的電負(fù)性較大，能夠吸引電子，改變表面電子云分布，減少表面散射，使載流子遷移率提高約20%。5.3.2電導(dǎo)率對砷烯、銻烯衍生物電導(dǎo)率的模擬結(jié)果表明，其電導(dǎo)率與材料結(jié)構(gòu)和電子特性密切相關(guān)。以銻化銦-銻烯衍生物為例，計算得到其在室溫下的電導(dǎo)率約為102-103S/cm。電導(dǎo)率與載流子濃度和載流子遷移率之間存在著密切的關(guān)系，根據(jù)電導(dǎo)率的計算公式\sigma=nq\mu（其中\(zhòng)sigma為電導(dǎo)率，n為載流子濃度，q為載流子電荷量，\mu為載流子遷移率），載流子濃度和遷移率的變化都會對電導(dǎo)率產(chǎn)生影響。在銻化銦-銻烯衍生物中，由于銦原子的引入，改變了材料的能帶結(jié)構(gòu)，使得載流子濃度和遷移率發(fā)生變化，進(jìn)而影響電導(dǎo)率。當(dāng)銦原子摻雜比例增加時，載流子濃度增大，在一定范圍內(nèi)，電導(dǎo)率會隨之提高。然而，當(dāng)摻雜比例過高時，雜質(zhì)散射增強(qiáng)，載流子遷移率下降，可能導(dǎo)致電導(dǎo)率降低。電導(dǎo)率在電學(xué)應(yīng)用中具有重要意義。在電子器件領(lǐng)域，電導(dǎo)率是衡量材料導(dǎo)電性能的關(guān)鍵指標(biāo)，直接影響器件的性能和效率。以晶體管為例，高電導(dǎo)率的材料能夠降低器件的電阻，減少能量損耗，提高器件的運行速度和效率。在集成電路中，要求材料具有良好的導(dǎo)電性，以實現(xiàn)快速的信號傳輸和低功耗運行。對于銻化銦-銻烯衍生物，其較高的電導(dǎo)率使其在電子器件應(yīng)用中具有潛在優(yōu)勢。在傳感器領(lǐng)域，電導(dǎo)率的變化可以用于檢測外界環(huán)境的變化。當(dāng)銻化銦-銻烯衍生物暴露在特定氣體環(huán)境中時，氣體分子可能會吸附在材料表面，與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致材料的電子結(jié)構(gòu)改變，電導(dǎo)率發(fā)生變化。通過檢測電導(dǎo)率的變化，可以實現(xiàn)對氣體分子的檢測和識別，這種基于電導(dǎo)率變化的傳感機(jī)制在氣體傳感器中具有廣泛的應(yīng)用前景。六、結(jié)果與討論6.1結(jié)構(gòu)設(shè)計對光電性能的影響通過對不同結(jié)構(gòu)設(shè)計的砷烯、銻烯衍生物的研究，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計對其光電性能有著顯著且復(fù)雜的影響，這種影響體現(xiàn)在多個方面，包括原子排列、化學(xué)鍵特性以及電子結(jié)構(gòu)的改變等，它們之間相互關(guān)聯(lián)，共同決定了材料的最終光電性能。在原子排列方面，以砷烯中引入磷原子的衍生物為例，不同的磷原子摻雜比例和分布方式對材料的光電性能產(chǎn)生了明顯差異。當(dāng)磷原子摻雜比例較低（如5%）且均勻分布時，材料的電子結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，能帶結(jié)構(gòu)變化較為規(guī)律。從光學(xué)性能來看，吸收光譜在特定波長范圍內(nèi)的吸收峰強(qiáng)度和位置相對穩(wěn)定，這是因為均勻分布的磷原子對電子云分布的影響較為均勻，使得電子躍遷的能量和概率相對穩(wěn)定，從而導(dǎo)致吸收光譜的穩(wěn)定性。在電學(xué)性能方面，載流子遷移率相對較高，這是由于均勻的原子排列減少了晶格缺陷和散射中心，有利于載流子的傳輸。然而，當(dāng)磷原子摻雜比例增加到15%且呈現(xiàn)聚集分布時，材料的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大變化。在光學(xué)性能上，吸收光譜出現(xiàn)了新的吸收峰，這是因為聚集分布的磷原子形成了局部的電子態(tài)，導(dǎo)致新的電子躍遷通道出現(xiàn)，從而產(chǎn)生了新的吸收峰。在電學(xué)性能方面，載流子遷移率明顯下降，這是因為聚集分布的磷原子破壞了晶格的周期性，形成了更多的散射中心，阻礙了載流子的傳輸?；瘜W(xué)鍵的特性對砷烯、銻烯衍生物的光電性能也有著關(guān)鍵影響。以銻化銦-銻烯衍生物為例，銻原子與銦原子之間的共價鍵由于電負(fù)性差異導(dǎo)致電子云分布不均勻，形成了一定的極性。這種極性對材料的電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了重要影響，進(jìn)而影響了光電性能。在光學(xué)性能方面，極性共價鍵使得材料的極化率發(fā)生變化，從而影響了光與材料的相互作用。研究發(fā)現(xiàn)，極化率的改變導(dǎo)致材料在特定波長范圍內(nèi)的光吸收系數(shù)發(fā)生變化，例如在近紅外區(qū)域，光吸收系數(shù)有所增加，這是因為極性共價鍵增強(qiáng)了材料對近紅外光的響應(yīng)能力。在電學(xué)性能方面，極性共價鍵導(dǎo)致材料內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)建電場，影響了載流子的運動。當(dāng)有外部電場作用時，內(nèi)建電場與外部電場相互作用，改變了載流子的遷移率和擴(kuò)散系數(shù)。如果內(nèi)建電場與外部電場方向一致，會促進(jìn)載流子的運動，提高載流子遷移率；反之，則會阻礙載流子的運動，降低載流子遷移率。電子結(jié)構(gòu)的變化是結(jié)構(gòu)設(shè)計影響光電性能的核心因素。以砷化鎵-砷烯衍生物為例，由于鎵原子的引入，材料的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，帶隙大小和類型可通過控制鎵原子的摻雜比例進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)鎵原子摻雜比例在一定范圍內(nèi)時，能帶結(jié)構(gòu)從間接帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>