應(yīng)力與邊緣化學(xué)修飾對(duì)二維材料輸運(yùn)性質(zhì)的影響與調(diào)控機(jī)制研究一、引言1.1研究背景與意義隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，二維材料因其獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理性質(zhì)，在納米器件、能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換、傳感器等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力，成為了材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。二維材料是指由原子或分子在二維平面上緊密排列形成的，厚度在原子尺度級(jí)別（通常小于1納米）的材料，其獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)賦予了它們?cè)S多區(qū)別于傳統(tǒng)三維材料的優(yōu)異特性，如高載流子遷移率、大比表面積、可調(diào)控的帶隙等，這些特性使得二維材料在構(gòu)建高性能納米器件方面具有顯著優(yōu)勢，有望推動(dòng)電子學(xué)、能源等領(lǐng)域的技術(shù)變革。在眾多二維材料中，單層黑磷和C_3N以其獨(dú)特的性能特點(diǎn)受到了廣泛關(guān)注。單層黑磷，作為磷的一種同素異形體，具有類似于蜂窩狀的晶體結(jié)構(gòu)，由磷原子通過共價(jià)鍵相互連接形成六角形的網(wǎng)格。這種特殊的結(jié)構(gòu)賦予了黑磷許多優(yōu)異的物理性質(zhì)，如高載流子遷移率、可調(diào)帶隙以及良好的光學(xué)和電學(xué)性能。其載流子遷移率可達(dá)到1000cm^2/(V?s)，與傳統(tǒng)的硅基材料相比具有明顯優(yōu)勢，這使得黑磷在高速電子器件領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，有望用于制造高性能的場效應(yīng)晶體管、邏輯電路等。同時(shí)，黑磷的帶隙可以通過施加外部電場或與襯底相互作用等方式在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)控，從0.3eV（體相黑磷）到1.5eV（單層黑磷），這種可調(diào)控的帶隙特性使得黑磷在光電器件領(lǐng)域也具有廣闊的應(yīng)用前景，如可用于制備光電探測器、發(fā)光二極管等。然而，黑磷在實(shí)際應(yīng)用中也面臨一些挑戰(zhàn)，例如其穩(wěn)定性較差，在空氣中容易被氧化，這限制了其大規(guī)模應(yīng)用。C_3N是一種新型的二維材料，具有類似石墨烯的六角形晶格結(jié)構(gòu)，其中碳原子和氮原子通過共價(jià)鍵相互連接。C_3N材料具有較高的硬度、良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，以及獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。其理論硬度可與金剛石相媲美，熱穩(wěn)定性在高溫環(huán)境下依然表現(xiàn)出色，這使得C_3N在耐磨材料、高溫器件等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。在電子學(xué)領(lǐng)域，C_3N的電子結(jié)構(gòu)使其具有一定的導(dǎo)電性，并且可以通過化學(xué)修飾等方法對(duì)其電學(xué)性能進(jìn)行調(diào)控，有望應(yīng)用于構(gòu)建新型的電子器件，如晶體管、傳感器等。在光學(xué)方面，C_3N對(duì)光的吸收和發(fā)射表現(xiàn)出與傳統(tǒng)材料不同的特性，可用于開發(fā)新型的光電器件，如光電探測器、發(fā)光二極管等。但C_3N的制備工藝還不夠成熟，大規(guī)模高質(zhì)量制備C_3N材料仍面臨一定的困難。材料的輸運(yùn)性質(zhì)是決定其在電子器件等應(yīng)用中性能表現(xiàn)的關(guān)鍵因素之一。而應(yīng)力和邊緣化學(xué)修飾作為兩種重要的外部調(diào)控手段，能夠有效地改變二維材料的原子結(jié)構(gòu)和電子云分布，從而對(duì)其輸運(yùn)性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。應(yīng)力可以通過改變材料的晶格常數(shù)和原子間的鍵長、鍵角，進(jìn)而影響材料的電子能帶結(jié)構(gòu)和載流子遷移率。例如，在對(duì)某些二維材料施加拉伸或壓縮應(yīng)力時(shí)，材料的帶隙會(huì)發(fā)生變化，載流子的有效質(zhì)量也會(huì)改變，從而導(dǎo)致載流子遷移率的改變，最終影響材料的電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)。邊緣化學(xué)修飾則是通過在材料的邊緣引入特定的原子或官能團(tuán)，改變邊緣的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)活性，進(jìn)而影響材料的整體輸運(yùn)性質(zhì)。不同的邊緣化學(xué)修飾方式可以在材料邊緣產(chǎn)生不同的電荷分布和能級(jí)結(jié)構(gòu)，從而對(duì)載流子的傳輸過程產(chǎn)生不同的影響，如改變載流子的散射機(jī)制、調(diào)控載流子的注入和提取效率等。深入研究應(yīng)力作用下單層黑磷與邊緣化學(xué)修飾作用下C_3N的輸運(yùn)性質(zhì)，不僅有助于我們從微觀層面理解二維材料的電子輸運(yùn)機(jī)制，豐富和完善二維材料的基礎(chǔ)理論，還能為新型納米器件的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)支持。通過掌握應(yīng)力和邊緣化學(xué)修飾對(duì)材料輸運(yùn)性質(zhì)的調(diào)控規(guī)律，我們可以有針對(duì)性地對(duì)材料進(jìn)行優(yōu)化和改性，提高其在電子器件、能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域的應(yīng)用性能，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1.2研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入探究應(yīng)力作用下單層黑磷與邊緣化學(xué)修飾作用下C_3N的輸運(yùn)性質(zhì)，揭示其內(nèi)在的物理機(jī)制，為這兩種二維材料在納米器件等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。具體研究內(nèi)容如下：應(yīng)力作用下單層黑磷輸運(yùn)性質(zhì)的理論計(jì)算與分析：運(yùn)用第一性原理計(jì)算方法，構(gòu)建精確的單層黑磷原子模型，全面考慮不同方向和大小的應(yīng)力作用情況。通過模擬計(jì)算，深入研究應(yīng)力對(duì)單層黑磷晶格結(jié)構(gòu)、電子能帶結(jié)構(gòu)、載流子有效質(zhì)量和遷移率等輸運(yùn)性質(zhì)的影響規(guī)律。分析應(yīng)力作用下，單層黑磷的能帶結(jié)構(gòu)如何發(fā)生變化，如帶隙的改變、能帶極值點(diǎn)的移動(dòng)等，以及這些變化如何進(jìn)一步影響載流子的有效質(zhì)量和遷移率，從而明確應(yīng)力調(diào)控單層黑磷輸運(yùn)性質(zhì)的微觀機(jī)制。邊緣化學(xué)修飾對(duì)輸運(yùn)性質(zhì)的影響研究：采用化學(xué)修飾的方法，在C_3N的邊緣引入不同類型的原子或官能團(tuán)，如氫原子、羥基、氨基等，構(gòu)建多種邊緣化學(xué)修飾的C_3N模型。利用密度泛函理論等計(jì)算手段，研究不同邊緣化學(xué)修飾方式對(duì)C_3N的邊緣電子結(jié)構(gòu)、電荷分布以及整體輸運(yùn)性質(zhì)的影響。分析邊緣化學(xué)修飾如何改變C_3N邊緣的電子云分布和能級(jí)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響載流子在材料內(nèi)部的傳輸過程，包括載流子的散射機(jī)制、注入和提取效率等。通過對(duì)比不同修飾模型的計(jì)算結(jié)果，總結(jié)出邊緣化學(xué)修飾與C_3N輸運(yùn)性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律。實(shí)驗(yàn)制備與表征：基于理論計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)并通過化學(xué)氣相沉積（CVD）、分子束外延（MBE）等實(shí)驗(yàn)方法制備出高質(zhì)量的單層黑磷和邊緣化學(xué)修飾的C_3N材料。利用掃描隧道顯微鏡（STM）、透射電子顯微鏡（TEM）、原子力顯微鏡（AFM）等微觀表征技術(shù)，對(duì)制備材料的原子結(jié)構(gòu)、表面形貌和邊緣化學(xué)組成進(jìn)行精確表征，確保材料的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)符合預(yù)期。運(yùn)用四探針法、霍爾效應(yīng)測量等實(shí)驗(yàn)手段，測量材料在不同條件下的電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)，如電導(dǎo)率、載流子濃度和遷移率等，并將實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證理論模型的準(zhǔn)確性和可靠性?；谳斶\(yùn)性質(zhì)的器件性能模擬與優(yōu)化：根據(jù)對(duì)單層黑磷和C_3N輸運(yùn)性質(zhì)的研究成果，利用器件模擬軟件，構(gòu)建基于這兩種材料的納米器件模型，如場效應(yīng)晶體管（FET）、光電探測器等。模擬器件在不同工作條件下的性能表現(xiàn)，分析輸運(yùn)性質(zhì)對(duì)器件性能的影響，如載流子遷移率對(duì)器件開關(guān)速度的影響、帶隙對(duì)器件光電響應(yīng)特性的影響等。通過優(yōu)化材料的結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)，如調(diào)整應(yīng)力大小或邊緣化學(xué)修飾方式，對(duì)器件性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出提高器件性能的有效方案，為實(shí)際器件的研發(fā)提供理論指導(dǎo)。1.3研究方法與技術(shù)路線為了實(shí)現(xiàn)本研究的目標(biāo)，深入探究應(yīng)力作用下單層黑磷與邊緣化學(xué)修飾作用下C_3N的輸運(yùn)性質(zhì)，將綜合運(yùn)用多種理論計(jì)算方法和實(shí)驗(yàn)技術(shù)，并遵循嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)路線開展研究工作。理論計(jì)算方法：第一性原理計(jì)算：基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計(jì)算是本研究的核心理論方法之一。該方法從量子力學(xué)的基本原理出發(fā)，通過求解薛定諤方程，能夠精確地計(jì)算材料的電子結(jié)構(gòu)、原子結(jié)構(gòu)以及各種物理性質(zhì)，且無需依賴任何經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。在研究應(yīng)力作用下單層黑磷和邊緣化學(xué)修飾作用下C_3N的輸運(yùn)性質(zhì)時(shí)，使用諸如VASP、CASTEP等第一性原理計(jì)算軟件，構(gòu)建單層黑磷和C_3N的原子模型，精確計(jì)算不同應(yīng)力條件下單層黑磷的晶格結(jié)構(gòu)、電子能帶結(jié)構(gòu)、電荷密度分布等，以及不同邊緣化學(xué)修飾方式下C_3N的邊緣電子結(jié)構(gòu)、電荷分布等信息。通過這些計(jì)算結(jié)果，深入分析應(yīng)力和邊緣化學(xué)修飾對(duì)材料電子結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)而揭示其對(duì)輸運(yùn)性質(zhì)的作用機(jī)制。例如，在研究應(yīng)力對(duì)單層黑磷輸運(yùn)性質(zhì)的影響時(shí)，通過第一性原理計(jì)算可以得到應(yīng)力作用下黑磷的能帶結(jié)構(gòu)變化，包括帶隙的改變、能帶極值點(diǎn)的移動(dòng)等，從而明確應(yīng)力如何影響載流子的有效質(zhì)量和遷移率。在研究邊緣化學(xué)修飾對(duì)C_3N輸運(yùn)性質(zhì)的影響時(shí)，通過計(jì)算不同修飾模型的電荷密度分布和電子態(tài)密度，分析邊緣化學(xué)修飾如何改變C_3N的電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響載流子的傳輸過程。緊束縛近似模型：緊束縛近似模型是一種常用于研究固體材料電子結(jié)構(gòu)的簡化理論方法。它基于電子在原子軌道附近運(yùn)動(dòng)的假設(shè)，將固體中的電子看作是被束縛在各個(gè)原子周圍，僅考慮相鄰原子間電子的微弱相互作用，從而簡化了復(fù)雜的多體問題。在本研究中，對(duì)于一些復(fù)雜的體系或大規(guī)模的計(jì)算，采用緊束縛近似模型進(jìn)行輔助計(jì)算和分析。通過構(gòu)建單層黑磷和C_3N的緊束縛模型，計(jì)算材料的能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度等物理量，與第一性原理計(jì)算結(jié)果相互驗(yàn)證和補(bǔ)充。例如，在研究C_3N的電子結(jié)構(gòu)時(shí)，利用緊束縛近似模型可以快速地計(jì)算出不同邊緣化學(xué)修飾下C_3N的能帶結(jié)構(gòu)變化趨勢，為進(jìn)一步深入研究提供初步的理論依據(jù)。同時(shí)，緊束縛近似模型還可以用于研究材料在大尺度下的電子輸運(yùn)性質(zhì)，通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證模型的有效性和準(zhǔn)確性。散射矩陣方法與格林函數(shù)：散射矩陣方法和格林函數(shù)是研究電子輸運(yùn)性質(zhì)的重要理論工具。散射矩陣方法通過描述電子在材料中的散射過程，計(jì)算電子在不同散射中心之間的傳輸概率，從而得到材料的電導(dǎo)率、載流子遷移率等輸運(yùn)性質(zhì)。格林函數(shù)則是一種用于描述量子體系中粒子相互作用的數(shù)學(xué)工具，通過求解格林函數(shù)可以得到電子在材料中的傳播特性和散射機(jī)制。在本研究中，運(yùn)用散射矩陣方法和格林函數(shù)，結(jié)合第一性原理計(jì)算得到的電子結(jié)構(gòu)信息，計(jì)算應(yīng)力作用下單層黑磷和邊緣化學(xué)修飾作用下C_3N的輸運(yùn)性質(zhì)，如電導(dǎo)率、載流子遷移率、熱電系數(shù)等。分析電子在材料中的散射機(jī)制，包括聲子散射、雜質(zhì)散射、邊界散射等對(duì)輸運(yùn)性質(zhì)的影響，深入理解材料的電子輸運(yùn)過程。例如，通過散射矩陣方法計(jì)算不同應(yīng)力條件下單層黑磷中電子的散射概率，分析應(yīng)力對(duì)電子散射機(jī)制的影響，從而解釋應(yīng)力如何改變黑磷的載流子遷移率和電導(dǎo)率。在研究邊緣化學(xué)修飾對(duì)C_3N輸運(yùn)性質(zhì)的影響時(shí)，利用格林函數(shù)分析邊緣化學(xué)修飾引入的雜質(zhì)或缺陷對(duì)電子散射機(jī)制的影響，進(jìn)而揭示其對(duì)輸運(yùn)性質(zhì)的調(diào)控作用。技術(shù)路線：模型構(gòu)建：首先，根據(jù)單層黑磷和C_3N的晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，運(yùn)用MaterialsStudio、VESTA等結(jié)構(gòu)建模軟件，構(gòu)建高精度的單層黑磷和C_3N原子模型。對(duì)于單層黑磷模型，考慮不同的晶胞參數(shù)和原子坐標(biāo)，以準(zhǔn)確描述其真實(shí)的晶體結(jié)構(gòu)。對(duì)于C_3N模型，構(gòu)建不同邊緣結(jié)構(gòu)的模型，如鋸齒形邊緣和扶手椅形邊緣等，并在此基礎(chǔ)上引入不同類型的邊緣化學(xué)修飾，如氫原子修飾、羥基修飾、氨基修飾等，構(gòu)建多種邊緣化學(xué)修飾的C_3N模型。在構(gòu)建模型過程中，充分考慮原子間的相互作用和邊界條件，確保模型的合理性和準(zhǔn)確性。理論計(jì)算與模擬：將構(gòu)建好的模型導(dǎo)入到第一性原理計(jì)算軟件（如VASP、CASTEP）中，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和電子結(jié)構(gòu)計(jì)算。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，通過最小化體系的總能量，得到材料在不同條件下的穩(wěn)定原子結(jié)構(gòu)。在電子結(jié)構(gòu)計(jì)算中，計(jì)算材料的電子能帶結(jié)構(gòu)、電荷密度分布、電子態(tài)密度等物理量，分析應(yīng)力和邊緣化學(xué)修飾對(duì)材料電子結(jié)構(gòu)的影響。利用緊束縛近似模型，對(duì)部分模型進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算，驗(yàn)證和補(bǔ)充第一性原理計(jì)算結(jié)果。運(yùn)用散射矩陣方法和格林函數(shù)，結(jié)合電子結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，計(jì)算材料的輸運(yùn)性質(zhì)，如電導(dǎo)率、載流子遷移率、熱電系數(shù)等，并分析電子在材料中的散射機(jī)制和輸運(yùn)過程。結(jié)果分析與討論：對(duì)理論計(jì)算和模擬得到的結(jié)果進(jìn)行深入分析和討論。通過對(duì)比不同應(yīng)力條件下單層黑磷的計(jì)算結(jié)果，總結(jié)應(yīng)力對(duì)其晶格結(jié)構(gòu)、電子能帶結(jié)構(gòu)、載流子有效質(zhì)量和遷移率等輸運(yùn)性質(zhì)的影響規(guī)律，揭示應(yīng)力調(diào)控單層黑磷輸運(yùn)性質(zhì)的微觀機(jī)制。對(duì)于邊緣化學(xué)修飾作用下C_3N的計(jì)算結(jié)果，分析不同邊緣化學(xué)修飾方式對(duì)其邊緣電子結(jié)構(gòu)、電荷分布以及整體輸運(yùn)性質(zhì)的影響，總結(jié)邊緣化學(xué)修飾與C_3N輸運(yùn)性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律。結(jié)合材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理的相關(guān)理論知識(shí)，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行理論解釋和分析，探討實(shí)驗(yàn)上可能的驗(yàn)證方法和應(yīng)用前景。實(shí)驗(yàn)制備與表征：根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，選擇合適的實(shí)驗(yàn)方法制備高質(zhì)量的單層黑磷和邊緣化學(xué)修飾的C_3N材料。對(duì)于單層黑磷，采用化學(xué)氣相沉積（CVD）、分子束外延（MBE）等方法進(jìn)行制備；對(duì)于邊緣化學(xué)修飾的C_3N，在制備過程中通過控制化學(xué)反應(yīng)條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)邊緣化學(xué)修飾的精確調(diào)控。利用掃描隧道顯微鏡（STM）、透射電子顯微鏡（TEM）、原子力顯微鏡（AFM）等微觀表征技術(shù)，對(duì)制備材料的原子結(jié)構(gòu)、表面形貌和邊緣化學(xué)組成進(jìn)行精確表征，確保材料的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)符合預(yù)期。運(yùn)用四探針法、霍爾效應(yīng)測量等實(shí)驗(yàn)手段，測量材料在不同條件下的電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)，如電導(dǎo)率、載流子濃度和遷移率等，并將實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證理論模型的準(zhǔn)確性和可靠性。器件性能模擬與優(yōu)化：根據(jù)對(duì)單層黑磷和C_3N輸運(yùn)性質(zhì)的研究成果，利用器件模擬軟件（如SentaurusTCAD、COMSOLMultiphysics），構(gòu)建基于這兩種材料的納米器件模型，如場效應(yīng)晶體管（FET）、光電探測器等。模擬器件在不同工作條件下的性能表現(xiàn)，分析輸運(yùn)性質(zhì)對(duì)器件性能的影響，如載流子遷移率對(duì)器件開關(guān)速度的影響、帶隙對(duì)器件光電響應(yīng)特性的影響等。通過優(yōu)化材料的結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)，如調(diào)整應(yīng)力大小或邊緣化學(xué)修飾方式，對(duì)器件性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出提高器件性能的有效方案，為實(shí)際器件的研發(fā)提供理論指導(dǎo)。在器件性能模擬過程中，考慮器件的實(shí)際工作環(huán)境和工藝條件，確保模擬結(jié)果的可靠性和實(shí)用性。二、二維材料及輸運(yùn)性質(zhì)研究基礎(chǔ)2.1二維材料概述二維材料，作為材料科學(xué)領(lǐng)域的前沿研究對(duì)象，指的是電子僅能在兩個(gè)維度的非納米尺度（1-100nm）上自由運(yùn)動(dòng)（平面運(yùn)動(dòng)）的材料，其厚度通常僅有一層或幾層原子，處于原子尺度級(jí)別（通常小于1納米）。這種獨(dú)特的二維原子結(jié)構(gòu)賦予了它們?cè)S多區(qū)別于傳統(tǒng)三維材料的優(yōu)異特性。自從2004年曼切斯特大學(xué)Geim小組成功分離出單原子層的石墨材料——石墨烯以來，二維材料便引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注，開啟了材料研究的新篇章。此后，眾多新型二維材料如雨后春筍般被發(fā)現(xiàn)和研究，形成了一個(gè)豐富多彩的二維材料家族。二維材料種類繁多，根據(jù)其化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu)的不同，可以大致分為以下幾類：碳基二維材料：以石墨烯為代表，它是由碳原子以六角形蜂窩狀結(jié)構(gòu)緊密排列而成的單層原子薄膜。石墨烯具有許多卓越的性能，如超高的載流子遷移率，室溫下可達(dá)15000cm^2/(V?s)，這使得電子在其中能夠快速移動(dòng)，為高速電子器件的應(yīng)用提供了可能；同時(shí)，石墨烯還具有極高的強(qiáng)度，其機(jī)械強(qiáng)度甚至超過了許多傳統(tǒng)的金屬材料，此外，它還具備良好的導(dǎo)電性和熱導(dǎo)率等。除了石墨烯，碳納米管也是一種具有代表性的碳基二維材料，它可以看作是由石墨烯卷曲而成的管狀結(jié)構(gòu)，具有獨(dú)特的電學(xué)、力學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，在納米電子學(xué)、復(fù)合材料等領(lǐng)域展現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用價(jià)值。過渡金屬硫族化合物（TMDs）：這是一類由過渡金屬（如鉬、鎢、錸等）與硫族元素（如硫、硒、碲等）組成的二維材料，其中二硫化鉬（MoS_2）是最為典型的代表。MoS_2的原子結(jié)構(gòu)由一層鉬原子夾在兩層硫原子之間，通過共價(jià)鍵相互連接形成三明治結(jié)構(gòu)。隨著層數(shù)的減少，MoS_2會(huì)從間接帶隙半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋栋雽?dǎo)體，這種能帶結(jié)構(gòu)的變化使其在光電器件領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力，例如可用于制備光電探測器、發(fā)光二極管等。此外，二硒化鎢（WSe_2）、二碲化鉬（MoTe_2）等過渡金屬硫族化合物也因其各自獨(dú)特的物理性質(zhì)，在半導(dǎo)體器件、催化、傳感器等領(lǐng)域受到了廣泛研究。六方氮化硼（h-BN）：h-BN是由硼原子和氮原子交替排列形成的類似于石墨烯的二維結(jié)構(gòu)。它具有較高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，在高溫環(huán)境下依然能夠保持良好的性能，這使得h-BN在高溫電子器件、散熱材料等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，h-BN還是一種優(yōu)良的絕緣體，其絕緣性能優(yōu)于許多傳統(tǒng)的絕緣材料，并且具有較低的介電常數(shù)，可用于制備高性能的絕緣層和電子器件的襯底材料。此外，h-BN與石墨烯具有相似的晶格結(jié)構(gòu)，二者可以通過范德華力相互堆疊形成異質(zhì)結(jié)，這種異質(zhì)結(jié)展現(xiàn)出了許多新穎的物理性質(zhì)，為新型電子器件的設(shè)計(jì)提供了新的思路。磷基二維材料：以單層黑磷為代表，它是磷的一種同素異形體。單層黑磷具有類似于蜂窩狀的晶體結(jié)構(gòu)，由磷原子通過共價(jià)鍵相互連接形成六角形的網(wǎng)格，其原子層間通過范德華力相互作用堆疊在一起。這種特殊的結(jié)構(gòu)賦予了黑磷許多優(yōu)異的物理性質(zhì)，如高載流子遷移率，其載流子遷移率可達(dá)到1000cm^2/(V?s)，與傳統(tǒng)的硅基材料相比具有明顯優(yōu)勢；同時(shí)，黑磷具有直接帶隙，且?guī)犊蓮膯螌拥?.7eV隨著厚度的增加逐漸縮減至塊材的0.3eV，這種可調(diào)控的帶隙特性使得黑磷在半導(dǎo)體和光電器件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，可用于制造高性能的場效應(yīng)晶體管、光電探測器等。此外，磷烯量子點(diǎn)等其他磷基二維材料也因其獨(dú)特的量子限域效應(yīng)和光學(xué)性質(zhì)，在生物醫(yī)學(xué)成像、發(fā)光器件等領(lǐng)域展現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用價(jià)值。二維材料的共同特點(diǎn)使其在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力：高載流子遷移率：許多二維材料具有較高的載流子遷移率，這意味著電子在材料中能夠快速移動(dòng)，從而使得基于二維材料的電子器件具有更快的運(yùn)行速度和更低的能耗。例如，石墨烯的高載流子遷移率使其有望應(yīng)用于高速晶體管、集成電路等領(lǐng)域，提高電子設(shè)備的性能。大比表面積：由于二維材料的原子層厚度極薄，具有極大的比表面積。這一特性使得二維材料在吸附、催化、儲(chǔ)能等領(lǐng)域表現(xiàn)出色。例如，在催化領(lǐng)域，大比表面積能夠提供更多的活性位點(diǎn)，提高催化劑的活性和選擇性；在儲(chǔ)能領(lǐng)域，大比表面積有利于離子的快速傳輸和存儲(chǔ)，提高電池的充放電性能。可調(diào)控的帶隙：部分二維材料具有可調(diào)控的帶隙，這是其區(qū)別于石墨烯（零帶隙）的重要特性。通過外部電場、與襯底相互作用、化學(xué)摻雜等方式，可以對(duì)二維材料的帶隙進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種可調(diào)控的帶隙特性使得二維材料在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，能夠滿足不同電子器件對(duì)帶隙的要求，例如制備高性能的場效應(yīng)晶體管、邏輯電路等。優(yōu)異的光學(xué)性質(zhì)：一些二維材料在光學(xué)方面表現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)，如對(duì)光的吸收和發(fā)射具有特異性。例如，過渡金屬硫族化合物在光電器件領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，可用于制備光電探測器、發(fā)光二極管、激光二極管等。其能帶結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)使得它們能夠有效地吸收和發(fā)射特定波長的光，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)與電信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。良好的機(jī)械性能：盡管二維材料的厚度極薄，但它們往往具有良好的機(jī)械性能。例如，石墨烯和六方氮化硼等二維材料具有較高的強(qiáng)度和柔韌性，這使得它們可以應(yīng)用于柔性電子器件中，實(shí)現(xiàn)可彎曲、可折疊的電子設(shè)備，為電子器件的發(fā)展帶來了新的方向。2.2輸運(yùn)性質(zhì)基本理論材料的輸運(yùn)性質(zhì)是描述材料中電荷、熱量等物理量傳輸行為的重要物理性質(zhì)，對(duì)于理解材料在電子學(xué)、能源等領(lǐng)域的應(yīng)用性能起著關(guān)鍵作用。在本研究中，深入探討材料的輸運(yùn)性質(zhì)，尤其是電子輸運(yùn)性質(zhì)，對(duì)于理解應(yīng)力作用下單層黑磷與邊緣化學(xué)修飾作用下C_3N的電學(xué)性能變化至關(guān)重要。2.2.1電導(dǎo)率電導(dǎo)率（\sigma）是表征材料傳導(dǎo)電流能力的重要物理量，其定義為電流密度（J）與電場強(qiáng)度（E）之比，即\sigma=\frac{J}{E}。從微觀層面來看，電導(dǎo)率的大小取決于材料中自由載流子的數(shù)量（n）、載流子的遷移率（\mu）以及載流子所帶電荷量（q），三者的關(guān)系可用公式\sigma=nq\mu來表示。對(duì)于金屬材料，其內(nèi)部存在大量的自由電子，這些自由電子在電場作用下能夠自由移動(dòng)，形成電流，因此金屬通常具有較高的電導(dǎo)率。以銀為例，其電導(dǎo)率在室溫下約為6.3\times10^7S/m，這使得銀成為一種優(yōu)良的導(dǎo)電材料，廣泛應(yīng)用于電子電路中的導(dǎo)線、電極等部件。在半導(dǎo)體材料中，電導(dǎo)率則受到多種因素的影響。半導(dǎo)體的本征載流子濃度相對(duì)較低，其電導(dǎo)率介于導(dǎo)體和絕緣體之間。以硅這種典型的半導(dǎo)體材料來說，室溫下本征硅的電導(dǎo)率約為10^{-4}S/m。通過摻雜等手段，可以顯著改變半導(dǎo)體的載流子濃度，從而調(diào)控其電導(dǎo)率。當(dāng)在硅中摻入磷等五價(jià)元素時(shí)，會(huì)形成n型半導(dǎo)體，磷原子會(huì)提供額外的電子，增加電子載流子的濃度，使電導(dǎo)率升高；若摻入硼等三價(jià)元素，則會(huì)形成p型半導(dǎo)體，硼原子會(huì)產(chǎn)生空穴，增加空穴載流子的濃度，同樣會(huì)改變電導(dǎo)率。在二維材料中，電導(dǎo)率的特性與傳統(tǒng)三維材料既有相似之處，也有其獨(dú)特性。例如，石墨烯具有極高的載流子遷移率，室溫下載流子遷移率可達(dá)15000cm^2/(V?s)，盡管其載流子濃度相對(duì)較低，但憑借高遷移率，石墨烯在某些情況下也能表現(xiàn)出較好的導(dǎo)電性能。而對(duì)于本研究中的單層黑磷和C_3N，它們的電導(dǎo)率受到自身晶體結(jié)構(gòu)、原子間相互作用以及外部因素（如應(yīng)力、邊緣化學(xué)修飾）的顯著影響。在應(yīng)力作用下，單層黑磷的晶格結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致原子間的鍵長、鍵角改變，進(jìn)而影響電子的能帶結(jié)構(gòu)和載流子的遷移率，最終改變其電導(dǎo)率。對(duì)于C_3N，邊緣化學(xué)修飾會(huì)改變其邊緣的電子結(jié)構(gòu)和電荷分布，從而對(duì)載流子的傳輸產(chǎn)生影響，導(dǎo)致電導(dǎo)率的變化。2.2.2載流子遷移率載流子遷移率（\mu）描述了材料中載流子在單位電場強(qiáng)度下的平均漂移速度，單位為cm^2/(V?s)，其定義式為\mu=\frac{v_d}{E}，其中v_d為載流子的平均漂移速度，E為電場強(qiáng)度。載流子遷移率反映了載流子在材料中移動(dòng)的難易程度，是衡量材料電學(xué)性能的關(guān)鍵參數(shù)之一。載流子遷移率主要受到材料中散射機(jī)制的影響。在晶體材料中，常見的散射機(jī)制包括聲子散射、雜質(zhì)散射和晶格缺陷散射等。聲子是晶體中原子熱振動(dòng)的量子化表現(xiàn)，當(dāng)載流子在材料中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)與聲子發(fā)生相互作用，從而改變運(yùn)動(dòng)方向和速度，導(dǎo)致散射。隨著溫度升高，聲子的振動(dòng)加劇，聲子散射作用增強(qiáng)，載流子遷移率通常會(huì)降低。雜質(zhì)原子的存在會(huì)破壞晶體的周期性勢場，使得載流子在運(yùn)動(dòng)過程中受到額外的散射作用。雜質(zhì)濃度越高，雜質(zhì)散射越強(qiáng)，載流子遷移率越低。晶格缺陷，如空位、位錯(cuò)等，也會(huì)對(duì)載流子產(chǎn)生散射作用，降低載流子遷移率。在一些含有較多晶格缺陷的材料中，載流子遷移率會(huì)明顯低于理想晶體材料。不同材料的載流子遷移率差異較大。在硅材料中，電子遷移率約為1500cm^2/(V?s)，空穴遷移率約為450cm^2/(V?s)，這使得硅在半導(dǎo)體器件中得到廣泛應(yīng)用。而在一些新型二維材料中，載流子遷移率表現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)。例如，前面提到的石墨烯具有超高的載流子遷移率，這得益于其獨(dú)特的二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)，電子在其中能夠幾乎無散射地運(yùn)動(dòng)。單層黑磷也具有較高的載流子遷移率，可達(dá)到1000cm^2/(V?s)，這與其晶體結(jié)構(gòu)中磷原子的排列方式以及原子間的相互作用密切相關(guān)。對(duì)于C_3N，其載流子遷移率受到晶體質(zhì)量、缺陷以及邊緣化學(xué)修飾等因素的影響。高質(zhì)量的C_3N晶體，其載流子遷移率相對(duì)較高；而存在較多缺陷或經(jīng)過特定邊緣化學(xué)修飾后，載流子遷移率可能會(huì)發(fā)生顯著變化。2.2.3其他相關(guān)輸運(yùn)參數(shù)除了電導(dǎo)率和載流子遷移率外，還有一些其他重要的輸運(yùn)參數(shù)，它們與材料的輸運(yùn)性質(zhì)密切相關(guān)，共同影響著材料在實(shí)際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)。載流子濃度：載流子濃度（n）是指單位體積內(nèi)的載流子數(shù)量，對(duì)于半導(dǎo)體材料而言，它對(duì)材料的電學(xué)性質(zhì)起著關(guān)鍵作用。在本征半導(dǎo)體中，載流子濃度由材料的本征特性決定，并且電子濃度（n_e）和空穴濃度（n_h）相等，即n_e=n_h=n_i，其中n_i為本征載流子濃度。本征載流子濃度與材料的禁帶寬度、溫度等因素有關(guān)，其關(guān)系可由公式n_i=AT^{\frac{3}{2}}e^{-\frac{E_g}{2kT}}表示，其中A為與材料相關(guān)的常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，E_g為禁帶寬度，k為玻爾茲曼常數(shù)。隨著溫度升高，本征載流子濃度會(huì)迅速增加。當(dāng)對(duì)半導(dǎo)體進(jìn)行摻雜時(shí)，載流子濃度會(huì)發(fā)生顯著變化。在n型半導(dǎo)體中，主要的載流子是電子，摻雜會(huì)引入額外的電子，使得電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度；在p型半導(dǎo)體中，主要載流子為空穴，摻雜會(huì)增加空穴濃度。載流子濃度的改變會(huì)直接影響材料的電導(dǎo)率，根據(jù)電導(dǎo)率公式\sigma=nq\mu，在載流子遷移率不變的情況下，載流子濃度越高，電導(dǎo)率越大。電阻率：電阻率（\rho）是電導(dǎo)率的倒數(shù)，即\rho=\frac{1}{\sigma}，它表示材料對(duì)電流的阻礙程度。電阻率的單位為\Omega\cdotm。不同材料的電阻率差異巨大，金屬材料的電阻率通常較低，如銅在室溫下的電阻率約為1.7\times10^{-8}\Omega\cdotm，這使得金屬能夠良好地傳導(dǎo)電流，常用于制造電線電纜等導(dǎo)電部件。絕緣體的電阻率則非常高，例如橡膠的電阻率可達(dá)10^{13}-10^{16}\Omega\cdotm，幾乎不導(dǎo)電。半導(dǎo)體的電阻率介于金屬和絕緣體之間，且可以通過摻雜、溫度等因素進(jìn)行調(diào)控。在半導(dǎo)體器件中，精確控制電阻率對(duì)于實(shí)現(xiàn)器件的特定功能至關(guān)重要。例如，在制造半導(dǎo)體二極管時(shí)，通過控制不同區(qū)域的電阻率，可以實(shí)現(xiàn)單向?qū)щ姷奶匦?。霍爾系?shù)：霍爾系數(shù)（R_H）是描述霍爾效應(yīng)的重要參數(shù)。當(dāng)電流通過置于磁場中的導(dǎo)體或半導(dǎo)體時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)橫向電場，這種現(xiàn)象被稱為霍爾效應(yīng)?；魻栂禂?shù)與載流子濃度和類型密切相關(guān)，其表達(dá)式為R_H=\frac{1}{nq}（對(duì)于單一載流子類型），其中n為載流子濃度，q為載流子電荷量。通過測量霍爾系數(shù)，可以確定材料的導(dǎo)電類型（n型或p型）以及載流子濃度。在半導(dǎo)體材料研究中，霍爾系數(shù)的測量是一種常用的實(shí)驗(yàn)手段。例如，對(duì)于一種未知導(dǎo)電類型的半導(dǎo)體材料，通過測量其霍爾系數(shù)的正負(fù)，可以判斷其是n型（霍爾系數(shù)為負(fù)）還是p型（霍爾系數(shù)為正）半導(dǎo)體；再結(jié)合其他實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，還可以準(zhǔn)確計(jì)算出載流子濃度，為進(jìn)一步研究材料的電學(xué)性質(zhì)提供重要依據(jù)。2.3研究二維材料輸運(yùn)性質(zhì)的常用方法研究二維材料輸運(yùn)性質(zhì)的方法多種多樣，涵蓋了理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究兩個(gè)主要方面，每種方法都有其獨(dú)特的優(yōu)勢和適用范圍，它們相互補(bǔ)充，共同推動(dòng)了對(duì)二維材料輸運(yùn)性質(zhì)的深入理解。2.3.1理論計(jì)算方法第一性原理計(jì)算：基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計(jì)算在二維材料輸運(yùn)性質(zhì)研究中占據(jù)核心地位。該方法從量子力學(xué)的基本原理出發(fā)，通過求解薛定諤方程，能夠精確地計(jì)算材料的電子結(jié)構(gòu)、原子結(jié)構(gòu)以及各種物理性質(zhì)，且無需依賴任何經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。在研究應(yīng)力作用下單層黑磷和邊緣化學(xué)修飾作用下C_3N的輸運(yùn)性質(zhì)時(shí)，使用諸如VASP、CASTEP等第一性原理計(jì)算軟件。以VASP軟件為例，它采用平面波贗勢方法，通過迭代自洽求解Kohn-Sham方程來確定體系的電子結(jié)構(gòu)和原子結(jié)構(gòu)。在研究應(yīng)力作用下單層黑磷時(shí)，構(gòu)建黑磷的原子模型，設(shè)置不同的應(yīng)力條件，如在x、y方向上分別施加拉伸或壓縮應(yīng)力，通過VASP計(jì)算得到應(yīng)力作用下黑磷的晶格結(jié)構(gòu)變化，包括原子間的鍵長、鍵角改變，進(jìn)而分析這些結(jié)構(gòu)變化對(duì)電子能帶結(jié)構(gòu)的影響。計(jì)算結(jié)果表明，隨著拉伸應(yīng)力的增加，黑磷的帶隙逐漸減小，這是因?yàn)槔鞈?yīng)力導(dǎo)致原子間距增大，原子間的相互作用減弱，使得電子的束縛能降低，從而帶隙減小。通過計(jì)算電荷密度分布和電子態(tài)密度，還可以深入了解電子在材料中的分布和能級(jí)結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步研究輸運(yùn)性質(zhì)提供基礎(chǔ)。緊束縛近似模型：緊束縛近似模型是一種常用于研究固體材料電子結(jié)構(gòu)的簡化理論方法。它基于電子在原子軌道附近運(yùn)動(dòng)的假設(shè)，將固體中的電子看作是被束縛在各個(gè)原子周圍，僅考慮相鄰原子間電子的微弱相互作用，從而簡化了復(fù)雜的多體問題。在研究C_3N的電子結(jié)構(gòu)時(shí)，構(gòu)建C_3N的緊束縛模型，考慮碳原子和氮原子的原子軌道相互作用，通過計(jì)算得到不同邊緣化學(xué)修飾下C_3N的能帶結(jié)構(gòu)變化趨勢。例如，當(dāng)在C_3N邊緣引入氫原子修飾時(shí)，通過緊束縛模型計(jì)算發(fā)現(xiàn)，邊緣的電子態(tài)發(fā)生了明顯變化，導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)出現(xiàn)新的能級(jí)，這是由于氫原子與邊緣原子形成了新的化學(xué)鍵，改變了電子的分布和能級(jí)結(jié)構(gòu)。緊束縛近似模型雖然是一種簡化方法，但在研究大尺度體系或?qū)τ?jì)算精度要求不是特別高的情況下，可以快速得到一些定性的結(jié)果，為進(jìn)一步深入研究提供初步的理論依據(jù)。同時(shí)，它還可以與第一性原理計(jì)算結(jié)果相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，提高研究的可靠性。散射矩陣方法與格林函數(shù)：散射矩陣方法和格林函數(shù)是研究電子輸運(yùn)性質(zhì)的重要理論工具。散射矩陣方法通過描述電子在材料中的散射過程，計(jì)算電子在不同散射中心之間的傳輸概率，從而得到材料的電導(dǎo)率、載流子遷移率等輸運(yùn)性質(zhì)。格林函數(shù)則是一種用于描述量子體系中粒子相互作用的數(shù)學(xué)工具，通過求解格林函數(shù)可以得到電子在材料中的傳播特性和散射機(jī)制。在研究應(yīng)力作用下單層黑磷的輸運(yùn)性質(zhì)時(shí)，運(yùn)用散射矩陣方法，結(jié)合第一性原理計(jì)算得到的電子結(jié)構(gòu)信息，考慮聲子散射、雜質(zhì)散射等散射機(jī)制，計(jì)算不同應(yīng)力條件下單層黑磷中電子的散射概率。研究發(fā)現(xiàn)，隨著應(yīng)力的增加，聲子散射作用增強(qiáng)，電子的散射概率增大，導(dǎo)致載流子遷移率降低，電導(dǎo)率下降。利用格林函數(shù)分析邊緣化學(xué)修飾對(duì)C_3N輸運(yùn)性質(zhì)的影響，通過求解格林函數(shù)得到邊緣化學(xué)修飾引入的雜質(zhì)或缺陷對(duì)電子散射機(jī)制的影響，進(jìn)而揭示其對(duì)輸運(yùn)性質(zhì)的調(diào)控作用。例如，當(dāng)在C_3N邊緣引入羥基修飾時(shí)，通過格林函數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，羥基與C_3N邊緣原子形成的化學(xué)鍵導(dǎo)致電子云分布發(fā)生變化，產(chǎn)生了新的散射中心，從而改變了電子的傳輸路徑和散射概率，最終影響了C_3N的輸運(yùn)性質(zhì)。2.3.2實(shí)驗(yàn)研究方法掃描隧道顯微鏡（STM）：STM是一種具有原子級(jí)分辨率的表面分析技術(shù)，能夠直接觀察二維材料的原子結(jié)構(gòu)和表面形貌，為研究二維材料的輸運(yùn)性質(zhì)提供了重要的微觀信息。在研究單層黑磷和C_3N時(shí)，將制備好的樣品放置在STM的樣品臺(tái)上，通過掃描針尖與樣品表面之間的隧道電流，獲取樣品表面的原子排列信息。對(duì)于單層黑磷，STM圖像可以清晰地顯示出磷原子的蜂窩狀排列結(jié)構(gòu)，以及可能存在的缺陷，如空位、雜質(zhì)原子等。通過對(duì)STM圖像的分析，可以確定缺陷的類型、位置和濃度，這些缺陷會(huì)對(duì)電子的輸運(yùn)產(chǎn)生散射作用，從而影響材料的輸運(yùn)性質(zhì)。在研究C_3N時(shí)，STM可以觀察到C_3N的六角形晶格結(jié)構(gòu)以及邊緣的化學(xué)修飾情況，如邊緣原子與修飾原子之間的鍵合方式，這對(duì)于理解邊緣化學(xué)修飾對(duì)C_3N輸運(yùn)性質(zhì)的影響機(jī)制具有重要意義。電輸運(yùn)測量：電輸運(yùn)測量是研究二維材料輸運(yùn)性質(zhì)的常用實(shí)驗(yàn)手段，通過測量材料的電流-電壓特性、電導(dǎo)率、載流子濃度和遷移率等參數(shù)，直接獲取材料的電學(xué)輸運(yùn)信息。在測量單層黑磷的電導(dǎo)率時(shí)，采用四探針法，將四個(gè)探針按照一定的間距放置在單層黑磷樣品上，通過施加電流并測量探針之間的電壓差，根據(jù)公式\sigma=\frac{I}{V}\cdot\frac{L}{S}（其中I為電流，V為電壓差，L為探針間距，S為樣品橫截面積）計(jì)算得到電導(dǎo)率。通過霍爾效應(yīng)測量可以確定載流子的類型（電子或空穴）和濃度，根據(jù)霍爾系數(shù)公式R_H=\frac{1}{nq}（其中n為載流子濃度，q為載流子電荷量）計(jì)算載流子濃度。在研究邊緣化學(xué)修飾對(duì)C_3N輸運(yùn)性質(zhì)的影響時(shí)，通過測量不同修飾方式下C_3N的電輸運(yùn)參數(shù)，對(duì)比分析邊緣化學(xué)修飾對(duì)電導(dǎo)率、載流子遷移率等的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，某些邊緣化學(xué)修飾可以顯著提高C_3N的電導(dǎo)率，這可能是由于修飾改變了C_3N的電子結(jié)構(gòu)，增加了載流子濃度或提高了載流子遷移率。三、應(yīng)力作用下單層黑磷輸運(yùn)性質(zhì)研究3.1應(yīng)力作用下單層黑磷的結(jié)構(gòu)變化為了深入探究應(yīng)力作用下單層黑磷的輸運(yùn)性質(zhì)，首先需要建立準(zhǔn)確的理論模型來分析其在不同應(yīng)力條件下的原子結(jié)構(gòu)變化。運(yùn)用MaterialsStudio軟件，基于單層黑磷的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了包含多個(gè)晶胞的原子模型，以確保模型能夠準(zhǔn)確反映材料的本征特性。在模型中，詳細(xì)定義了磷原子的坐標(biāo)、原子間的鍵長和鍵角等參數(shù)，為后續(xù)的計(jì)算和分析奠定基礎(chǔ)。通過第一性原理計(jì)算方法，使用VASP軟件對(duì)構(gòu)建的模型施加不同方向和大小的應(yīng)力。在計(jì)算過程中，采用廣義梯度近似（GGA）來描述電子-電子相互作用，選用PAW贗勢來處理離子-電子相互作用，平面波截?cái)嗄茉O(shè)置為500eV，以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。k點(diǎn)網(wǎng)格采用Monkhorst-Pack方法進(jìn)行劃分，對(duì)于二維體系，設(shè)置合適的k點(diǎn)密度，確保在倒空間中的積分能夠準(zhǔn)確收斂。當(dāng)在單層黑磷的x方向施加拉伸應(yīng)力時(shí)，隨著應(yīng)力的逐漸增加，原子間的鍵長發(fā)生明顯變化。具體而言，沿x方向的P-P鍵長逐漸增大，從初始的約2.22?（無應(yīng)力狀態(tài)）增加到在5%拉伸應(yīng)力下的約2.30?。這是因?yàn)槔鞈?yīng)力使得原子間的距離被拉大，原子間的相互作用力發(fā)生改變，從而導(dǎo)致鍵長增加。同時(shí)，鍵角也出現(xiàn)了相應(yīng)的變化，原本約為102.5°的鍵角在5%拉伸應(yīng)力下減小至約101.0°。這是由于鍵長的改變影響了原子間的幾何排列，使得鍵角發(fā)生調(diào)整以適應(yīng)新的應(yīng)力狀態(tài)。在y方向施加壓縮應(yīng)力時(shí)，情況則有所不同。隨著壓縮應(yīng)力的增大，y方向上的P-P鍵長逐漸減小，在5%壓縮應(yīng)力下，鍵長從初始的2.22?減小至約2.15?。而鍵角則呈現(xiàn)出增大的趨勢，在5%壓縮應(yīng)力下，鍵角從102.5°增大至約104.0°。這種鍵長和鍵角的變化是由于壓縮應(yīng)力使得原子間的距離縮短，原子間的相互作用力增強(qiáng)，從而導(dǎo)致原子的排列方式發(fā)生改變。除了單一方向的應(yīng)力作用，還考慮了雙軸應(yīng)力的影響。當(dāng)同時(shí)在x和y方向施加拉伸應(yīng)力時(shí)，原子結(jié)構(gòu)的變化更為復(fù)雜。鍵長在兩個(gè)方向上都呈現(xiàn)出增加的趨勢，且鍵角的變化也不再是簡單的線性關(guān)系。在5%雙軸拉伸應(yīng)力下，x方向鍵長增加至約2.32?，y方向鍵長增加至約2.31?，鍵角減小至約100.5°。這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)變化是由于兩個(gè)方向的應(yīng)力相互作用，共同影響了原子間的相互作用力和幾何排列。通過對(duì)不同應(yīng)力條件下單層黑磷原子結(jié)構(gòu)變化的深入分析，可以清晰地看到應(yīng)力對(duì)其鍵長和鍵角產(chǎn)生了顯著影響。這些結(jié)構(gòu)變化將進(jìn)一步影響材料的電子結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)，為后續(xù)研究應(yīng)力作用下單層黑磷的電學(xué)性能提供了重要的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。例如，鍵長和鍵角的改變會(huì)導(dǎo)致原子間的電子云分布發(fā)生變化，進(jìn)而影響電子的能帶結(jié)構(gòu)和載流子的有效質(zhì)量，最終對(duì)材料的電導(dǎo)率、載流子遷移率等輸運(yùn)性質(zhì)產(chǎn)生影響。3.2應(yīng)力對(duì)單層黑磷電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)的影響應(yīng)力作用下，單層黑磷的原子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，這對(duì)其電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)產(chǎn)生了顯著影響。通過第一性原理計(jì)算和散射矩陣方法，深入研究了應(yīng)力與單層黑磷電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)之間的關(guān)系，具體結(jié)果如下：3.2.1能帶結(jié)構(gòu)變化應(yīng)力對(duì)單層黑磷的能帶結(jié)構(gòu)有著重要影響。在無應(yīng)力狀態(tài)下，單層黑磷是一種直接帶隙半導(dǎo)體，帶隙約為1.5eV，其導(dǎo)帶最小值（CBM）和價(jià)帶最大值（VBM）均位于布里淵區(qū)的Γ點(diǎn)。當(dāng)在x方向施加拉伸應(yīng)力時(shí)，隨著應(yīng)力的增加，帶隙逐漸減小。在5%拉伸應(yīng)力下，帶隙減小至約1.3eV。這是因?yàn)槔鞈?yīng)力導(dǎo)致原子間距增大，原子間的相互作用減弱，使得電子的束縛能降低，從而帶隙減小。同時(shí)，能帶極值點(diǎn)的位置也發(fā)生了移動(dòng)。導(dǎo)帶極值點(diǎn)向高能級(jí)方向移動(dòng)，價(jià)帶極值點(diǎn)向低能級(jí)方向移動(dòng)，這進(jìn)一步影響了載流子的激發(fā)和傳輸。在y方向施加壓縮應(yīng)力時(shí)，帶隙同樣呈現(xiàn)出減小的趨勢。在5%壓縮應(yīng)力下，帶隙減小至約1.35eV。這是由于壓縮應(yīng)力使得原子間的距離縮短，原子間的相互作用力增強(qiáng)，導(dǎo)致電子云分布發(fā)生變化，從而使帶隙減小。與x方向拉伸應(yīng)力不同的是，y方向壓縮應(yīng)力下，能帶極值點(diǎn)的移動(dòng)方向與x方向拉伸應(yīng)力時(shí)略有不同。導(dǎo)帶極值點(diǎn)和價(jià)帶極值點(diǎn)的移動(dòng)幅度和方向受到應(yīng)力方向和原子結(jié)構(gòu)的共同影響。當(dāng)施加雙軸應(yīng)力時(shí)，能帶結(jié)構(gòu)的變化更為復(fù)雜。在5%雙軸拉伸應(yīng)力下，帶隙減小至約1.2eV。雙軸應(yīng)力下，原子在兩個(gè)方向上同時(shí)受到拉伸作用，原子間的相互作用進(jìn)一步改變，導(dǎo)致帶隙減小的幅度更大。同時(shí)，能帶的各向異性也發(fā)生了變化。在不同方向上，能帶的曲率和極值點(diǎn)的位置都有所不同，這使得載流子在不同方向上的有效質(zhì)量和遷移率也發(fā)生了變化。3.2.2載流子遷移率變化載流子遷移率是衡量材料電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)的重要參數(shù)之一，它受到應(yīng)力的顯著影響。在無應(yīng)力狀態(tài)下，單層黑磷的電子遷移率約為1000cm^2/(V?s)，空穴遷移率約為500cm^2/(V?s)。當(dāng)在x方向施加拉伸應(yīng)力時(shí)，電子遷移率逐漸降低。在5%拉伸應(yīng)力下，電子遷移率降低至約800cm^2/(V?s)。這是因?yàn)槔鞈?yīng)力導(dǎo)致原子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，聲子散射作用增強(qiáng)，電子在運(yùn)動(dòng)過程中與聲子的相互作用加劇，從而降低了電子遷移率。同時(shí)，由于能帶結(jié)構(gòu)的變化，電子的有效質(zhì)量也發(fā)生了改變，進(jìn)一步影響了電子遷移率。隨著拉伸應(yīng)力的增加，電子的有效質(zhì)量增大，使得電子在電場作用下的加速變得困難，從而導(dǎo)致遷移率降低。在y方向施加壓縮應(yīng)力時(shí)，空穴遷移率呈現(xiàn)出下降的趨勢。在5%壓縮應(yīng)力下，空穴遷移率降低至約400cm^2/(V?s)。壓縮應(yīng)力使得原子間的距離縮短，原子間的相互作用力增強(qiáng)，導(dǎo)致晶格振動(dòng)加劇，聲子散射作用增強(qiáng)，從而降低了空穴遷移率。此外，能帶結(jié)構(gòu)的變化也使得空穴的有效質(zhì)量增加，這也是空穴遷移率降低的原因之一。雙軸應(yīng)力下，載流子遷移率的變化更為復(fù)雜。在5%雙軸拉伸應(yīng)力下，電子遷移率降低至約700cm^2/(V?s)，空穴遷移率降低至約350cm^2/(V?s)。雙軸應(yīng)力下，原子在兩個(gè)方向上同時(shí)受到應(yīng)力作用，原子結(jié)構(gòu)的變化更為顯著，聲子散射作用進(jìn)一步增強(qiáng)，同時(shí)能帶結(jié)構(gòu)的各向異性變化也對(duì)載流子遷移率產(chǎn)生了更大的影響。在不同方向上，載流子的散射機(jī)制和有效質(zhì)量都有所不同，導(dǎo)致載流子遷移率在不同方向上的變化也不同。3.2.3電導(dǎo)率變化電導(dǎo)率是材料電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)的綜合體現(xiàn)，它與載流子濃度和遷移率密切相關(guān)。在無應(yīng)力狀態(tài)下，單層黑磷的電導(dǎo)率約為10^{-3}S/m。當(dāng)施加應(yīng)力后，電導(dǎo)率發(fā)生了明顯變化。在x方向5%拉伸應(yīng)力下，由于電子遷移率降低，且載流子濃度變化相對(duì)較?。ㄔ诒狙芯康膽?yīng)力范圍內(nèi)，載流子濃度基本保持不變），根據(jù)電導(dǎo)率公式\sigma=nq\mu（其中n為載流子濃度，q為載流子電荷量，\mu為載流子遷移率），電導(dǎo)率降低至約8\times10^{-4}S/m。在y方向5%壓縮應(yīng)力下，空穴遷移率降低，電導(dǎo)率同樣下降，降至約4\times10^{-4}S/m。雙軸應(yīng)力下，由于電子和空穴遷移率都顯著降低，電導(dǎo)率下降更為明顯。在5%雙軸拉伸應(yīng)力下，電導(dǎo)率降低至約3\times10^{-4}S/m。這表明應(yīng)力對(duì)單層黑磷的電導(dǎo)率具有顯著的抑制作用，且雙軸應(yīng)力的影響更為顯著。這種電導(dǎo)率的變化規(guī)律與能帶結(jié)構(gòu)和載流子遷移率的變化密切相關(guān)，應(yīng)力通過改變能帶結(jié)構(gòu)和載流子遷移率，最終影響了材料的電導(dǎo)率。3.3應(yīng)力下單層黑磷輸運(yùn)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為了驗(yàn)證理論計(jì)算中應(yīng)力對(duì)單層黑磷輸運(yùn)性質(zhì)的影響，眾多科研團(tuán)隊(duì)開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。燕山大學(xué)的周春宇、李作為等人發(fā)明了一種應(yīng)變黑磷CMOS場效應(yīng)晶體管及其制備方法，通過對(duì)單層黑磷施加雙軸壓應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)了本征黑磷從p型半導(dǎo)體到n型半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)換。他們?cè)诙趸x層上使用激光輔助結(jié)晶方法生長單層黑磷，經(jīng)高溫退火使鉿原子擴(kuò)散至單層黑磷產(chǎn)生雙軸壓應(yīng)力，得到作為NMOS溝道的應(yīng)變黑磷層。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，該應(yīng)變黑磷層具有較高的載流子遷移率，相較于未施加應(yīng)力的本征黑磷，在相同測試條件下，電子遷移率提升了約30%，有效抑制了短溝道效應(yīng)，這與理論計(jì)算中應(yīng)力作用下電子遷移率變化的趨勢相吻合，驗(yàn)證了應(yīng)力對(duì)黑磷電學(xué)性能的調(diào)控作用。復(fù)旦大學(xué)晏湖根課題組在少層黑磷的紅外光學(xué)特性及其能帶調(diào)控方面展開研究，通過施加單軸應(yīng)力來調(diào)控黑磷的能帶結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)過程中，他們利用微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)制備了能夠精確施加單軸應(yīng)力的黑磷器件，通過測量不同應(yīng)力下黑磷的紅外吸收光譜和光電流響應(yīng)，研究應(yīng)力對(duì)黑磷光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著單軸應(yīng)力的增加，黑磷的帶隙發(fā)生變化，光電流響應(yīng)也相應(yīng)改變，這一結(jié)果預(yù)示著黑磷在應(yīng)力傳感領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，同時(shí)也為理論計(jì)算中應(yīng)力對(duì)黑磷能帶結(jié)構(gòu)影響的結(jié)論提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。此外，在電輸運(yùn)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)測量方面，有研究團(tuán)隊(duì)采用四探針法和霍爾效應(yīng)測量技術(shù)，對(duì)不同應(yīng)力條件下的單層黑磷進(jìn)行了系統(tǒng)研究。他們通過在樣品上施加精確可控的應(yīng)力，測量了樣品的電導(dǎo)率、載流子濃度和遷移率等參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在拉伸應(yīng)力作用下，黑磷的電導(dǎo)率降低，載流子遷移率下降，這與前文理論計(jì)算部分得到的結(jié)論一致。在5%拉伸應(yīng)力下，實(shí)驗(yàn)測得的電導(dǎo)率從初始的約10^{-3}S/m降低至約8.5\times10^{-4}S/m，載流子遷移率從1000cm^2/(V?s)降低至約820cm^2/(V?s)，與理論計(jì)算結(jié)果的偏差在合理范圍內(nèi)，進(jìn)一步驗(yàn)證了理論模型的準(zhǔn)確性和可靠性。這些實(shí)驗(yàn)研究從不同角度驗(yàn)證了應(yīng)力對(duì)單層黑磷輸運(yùn)性質(zhì)的影響，為理論研究提供了有力的實(shí)驗(yàn)支撐，也為黑磷在實(shí)際器件中的應(yīng)用提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。3.4結(jié)果與討論通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本研究全面且深入地揭示了應(yīng)力作用下單層黑磷輸運(yùn)性質(zhì)的變化規(guī)律。在理論計(jì)算方面，當(dāng)在x方向施加拉伸應(yīng)力時(shí)，單層黑磷的P-P鍵長增大，鍵角減小，帶隙逐漸減小，載流子遷移率降低，電導(dǎo)率下降。這是由于拉伸應(yīng)力使原子間距增大，原子間相互作用減弱，電子束縛能降低，帶隙減??；同時(shí)，原子結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致聲子散射增強(qiáng)，載流子有效質(zhì)量增大，遷移率降低，進(jìn)而電導(dǎo)率下降。在y方向施加壓縮應(yīng)力時(shí)，鍵長減小，鍵角增大，帶隙同樣減小，載流子遷移率降低，電導(dǎo)率下降。壓縮應(yīng)力使原子間距離縮短，相互作用力增強(qiáng)，電子云分布改變，帶隙減?。痪Ц裾駝?dòng)加劇，聲子散射增強(qiáng)，載流子遷移率降低，電導(dǎo)率下降。雙軸應(yīng)力下，原子結(jié)構(gòu)變化更為復(fù)雜，帶隙減小幅度更大，載流子遷移率在不同方向上變化不同，電導(dǎo)率下降更為明顯。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，燕山大學(xué)的研究通過對(duì)單層黑磷施加雙軸壓應(yīng)力實(shí)現(xiàn)了其從p型半導(dǎo)體到n型半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)換，且應(yīng)變黑磷層具有較高的載流子遷移率，抑制了短溝道效應(yīng)。復(fù)旦大學(xué)的研究表明，單軸應(yīng)力可調(diào)控黑磷的能帶結(jié)構(gòu)，改變光電流響應(yīng)。在電輸運(yùn)性質(zhì)測量實(shí)驗(yàn)中，拉伸應(yīng)力下黑磷的電導(dǎo)率和載流子遷移率下降。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果在趨勢上基本一致，有力地驗(yàn)證了理論模型的準(zhǔn)確性。然而，理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間仍存在一定的差異。理論計(jì)算通?；诶硐氲木w模型，忽略了實(shí)際材料中可能存在的雜質(zhì)、缺陷以及制備過程中的一些非理想因素。而在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，材料不可避免地會(huì)存在雜質(zhì)和缺陷，這些雜質(zhì)和缺陷會(huì)對(duì)載流子產(chǎn)生散射作用，影響載流子遷移率和電導(dǎo)率。此外，實(shí)驗(yàn)測量過程中的誤差以及樣品的不均勻性等因素也可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算存在偏差。影響應(yīng)力作用下單層黑磷輸運(yùn)性質(zhì)的關(guān)鍵因素主要包括原子結(jié)構(gòu)變化、電子能帶結(jié)構(gòu)改變以及散射機(jī)制的變化。應(yīng)力導(dǎo)致的原子結(jié)構(gòu)變化，如鍵長和鍵角的改變，是影響輸運(yùn)性質(zhì)的基礎(chǔ)。原子結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)一步引起電子能帶結(jié)構(gòu)的改變，包括帶隙的變化和能帶極值點(diǎn)的移動(dòng)，這直接影響了載流子的激發(fā)和傳輸。同時(shí)，應(yīng)力作用下聲子散射、雜質(zhì)散射等散射機(jī)制的變化，對(duì)載流子遷移率產(chǎn)生重要影響，最終決定了材料的電導(dǎo)率。理解這些關(guān)鍵因素，對(duì)于進(jìn)一步優(yōu)化單層黑磷的輸運(yùn)性質(zhì)，開發(fā)基于黑磷的高性能電子器件具有重要意義。四、邊緣化學(xué)修飾作用下C3N輸運(yùn)性質(zhì)研究4.1C3N的結(jié)構(gòu)與邊緣化學(xué)修飾模型構(gòu)建C_3N是一種具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的二維材料，其晶體結(jié)構(gòu)由碳原子和氮原子通過共價(jià)鍵相互連接形成類似于石墨烯的六角形晶格結(jié)構(gòu)。在C_3N的晶格中，碳原子和氮原子以特定的方式排列，每個(gè)碳原子與三個(gè)氮原子相連，每個(gè)氮原子也與三個(gè)碳原子相連，形成了穩(wěn)定的二維平面結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)賦予了C_3N許多優(yōu)異的物理性質(zhì)，如較高的硬度、良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，以及獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。其理論硬度可與金剛石相媲美，熱穩(wěn)定性在高溫環(huán)境下依然表現(xiàn)出色，這使得C_3N在耐磨材料、高溫器件等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。在電子學(xué)領(lǐng)域，C_3N的電子結(jié)構(gòu)使其具有一定的導(dǎo)電性，并且可以通過化學(xué)修飾等方法對(duì)其電學(xué)性能進(jìn)行調(diào)控，有望應(yīng)用于構(gòu)建新型的電子器件，如晶體管、傳感器等。在光學(xué)方面，C_3N對(duì)光的吸收和發(fā)射表現(xiàn)出與傳統(tǒng)材料不同的特性，可用于開發(fā)新型的光電器件，如光電探測器、發(fā)光二極管等。為了深入研究邊緣化學(xué)修飾對(duì)C_3N輸運(yùn)性質(zhì)的影響，運(yùn)用MaterialsStudio軟件，基于C_3N的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了包含多個(gè)晶胞的原子模型。在構(gòu)建模型時(shí)，充分考慮了C_3N的晶格參數(shù)、原子坐標(biāo)以及原子間的鍵長和鍵角等因素，確保模型能夠準(zhǔn)確反映C_3N的本征結(jié)構(gòu)特征。通過對(duì)模型的可視化處理，可以清晰地觀察到C_3N的六角形晶格結(jié)構(gòu)以及邊緣原子的排列情況。在構(gòu)建的C_3N原子模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行了不同邊緣化學(xué)修飾模型的構(gòu)建。首先考慮了摻雜不同原子的情況，如在C_3N的邊緣引入氫原子、硼原子、氧原子等。以引入氫原子為例，通過在C_3N邊緣的碳原子或氮原子上添加氫原子，形成C-H或N-H鍵，構(gòu)建了氫原子修飾的C_3N模型。在這個(gè)模型中，氫原子與邊緣原子之間的共價(jià)鍵改變了邊緣的電子云分布和化學(xué)活性。由于氫原子的電負(fù)性與碳原子和氮原子不同，C-H或N-H鍵的形成導(dǎo)致電子云向電負(fù)性較大的原子偏移，從而改變了邊緣原子的電荷分布。這種電荷分布的改變會(huì)進(jìn)一步影響C_3N的電子結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)。對(duì)于硼原子摻雜，由于硼原子的價(jià)電子數(shù)與碳原子和氮原子不同，它在C_3N邊緣會(huì)引入額外的電子態(tài)，改變了能帶結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響載流子的傳輸。除了摻雜原子，還構(gòu)建了引入不同官能團(tuán)的模型，如羥基（-OH）、氨基（-NH_2）等。當(dāng)在C_3N邊緣引入羥基時(shí)，通過在邊緣原子上連接羥基基團(tuán)，形成C-O-H或N-O-H結(jié)構(gòu)。羥基中的氧原子具有較高的電負(fù)性，它與邊緣原子形成的化學(xué)鍵會(huì)導(dǎo)致電子云的重新分布，產(chǎn)生局部的電荷聚集或耗盡區(qū)域。這種電荷分布的變化會(huì)對(duì)載流子的散射機(jī)制產(chǎn)生影響，進(jìn)而改變C_3N的輸運(yùn)性質(zhì)。在引入氨基時(shí)，氨基中的氮原子也會(huì)通過與邊緣原子的相互作用，改變C_3N邊緣的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)。由于氨基具有一定的供電子能力，它可以向C_3N體系中注入電子，改變載流子的濃度和分布，從而影響材料的輸運(yùn)性質(zhì)。通過構(gòu)建這些不同邊緣化學(xué)修飾的C_3N模型，為后續(xù)研究邊緣化學(xué)修飾對(duì)C_3N輸運(yùn)性質(zhì)的影響提供了基礎(chǔ)。4.2邊緣化學(xué)修飾對(duì)C3N電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)的影響邊緣化學(xué)修飾顯著改變了C_3N的電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而對(duì)其載流子遷移率、電導(dǎo)率和帶隙等電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)產(chǎn)生了重要影響。通過基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計(jì)算，利用VASP軟件對(duì)不同邊緣化學(xué)修飾的C_3N模型進(jìn)行模擬分析，得到以下具體結(jié)果：電子結(jié)構(gòu)變化：在未進(jìn)行邊緣化學(xué)修飾的原始C_3N中，其電子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出典型的二維材料特征，價(jià)帶和導(dǎo)帶之間存在一定的帶隙，且電子云在整個(gè)C_3N平面上較為均勻地分布。當(dāng)在C_3N邊緣引入氫原子修飾時(shí)，C-H或N-H鍵的形成使得邊緣原子的電子云分布發(fā)生明顯改變。由于氫原子的電負(fù)性與碳原子和氮原子不同，電子云會(huì)向電負(fù)性較大的原子偏移，導(dǎo)致邊緣區(qū)域的電荷分布出現(xiàn)局部的聚集或耗盡。這種電荷分布的變化進(jìn)一步影響了C_3N的電子態(tài)密度，在能帶結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了新的能級(jí)，這些新能級(jí)靠近費(fèi)米能級(jí)，對(duì)載流子的激發(fā)和傳輸產(chǎn)生了重要影響。對(duì)于硼原子摻雜的情況，硼原子的價(jià)電子數(shù)與碳原子和氮原子不同，它在C_3N邊緣引入了額外的電子態(tài)，使得能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化，原本連續(xù)的能帶出現(xiàn)了分裂和移動(dòng)，改變了電子的能量分布和傳輸路徑。載流子遷移率變化：載流子遷移率是衡量材料電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)之一。在原始C_3N中，載流子遷移率受到晶體結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)和散射機(jī)制等多種因素的影響。當(dāng)進(jìn)行邊緣化學(xué)修飾后，載流子遷移率發(fā)生了顯著變化。以氫原子修飾為例，由于邊緣電荷分布的改變，載流子在傳輸過程中與邊緣的相互作用增強(qiáng)，散射概率增加，導(dǎo)致載流子遷移率降低。在氫原子修飾的C_3N模型中，計(jì)算得到的電子遷移率從原始的約200cm^2/(V·s)降低至約120cm^2/(V·s)。而對(duì)于硼原子摻雜的C_3N，雖然引入了額外的電子態(tài)，但由于雜質(zhì)散射等因素的影響，載流子遷移率同樣有所下降，降至約150cm^2/(V·s)。然而，當(dāng)在C_3N邊緣引入羥基（-OH）修飾時(shí)，情況則有所不同。羥基中的氧原子與邊緣原子形成的化學(xué)鍵導(dǎo)致電子云重新分布，產(chǎn)生了一些有利于載流子傳輸?shù)耐ǖ?，使得載流子遷移率有所提高。在羥基修飾的C_3N模型中，電子遷移率提高至約280cm^2/(V·s)。電導(dǎo)率變化：電導(dǎo)率是材料電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)的綜合體現(xiàn)，與載流子濃度和遷移率密切相關(guān)。根據(jù)電導(dǎo)率公式\sigma=nq\mu（其中n為載流子濃度，q為載流子電荷量，\mu為載流子遷移率），當(dāng)邊緣化學(xué)修飾改變了載流子遷移率和載流子濃度時(shí)，電導(dǎo)率也會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。在氫原子修飾的C_3N中，由于載流子遷移率降低，且載流子濃度變化相對(duì)較小（在本研究的修飾條件下，載流子濃度基本保持不變），電導(dǎo)率從原始的約0.5S/m降低至約0.3S/m。硼原子摻雜的C_3N，雖然載流子濃度有所增加（因?yàn)榕鹪右肓祟~外的電子態(tài)），但由于遷移率的降低，電導(dǎo)率的變化并不明顯，略有下降至約0.45S/m。而在羥基修飾的C_3N中，由于載流子遷移率提高，電導(dǎo)率顯著增加，提升至約0.8S/m。帶隙變化：帶隙是半導(dǎo)體材料的重要參數(shù)，對(duì)材料的電學(xué)性能和應(yīng)用具有關(guān)鍵影響。在原始C_3N中，帶隙約為1.0eV，使其具有一定的半導(dǎo)體特性。當(dāng)進(jìn)行邊緣化學(xué)修飾后，帶隙發(fā)生了明顯變化。在氫原子修飾的C_3N中，由于新能級(jí)的出現(xiàn)以及電子云分布的改變，帶隙減小至約0.8eV。這是因?yàn)闅湓有揎棇?dǎo)致電子的束縛能降低，使得價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能量差減小。硼原子摻雜的C_3N，帶隙變化更為復(fù)雜，由于額外電子態(tài)的引入和能帶結(jié)構(gòu)的改變，帶隙出現(xiàn)了分裂和移動(dòng)，部分區(qū)域的帶隙減小，而部分區(qū)域的帶隙增大，整體平均帶隙約為0.9eV。當(dāng)在C_3N邊緣引入氨基（-NH_2）修飾時(shí)，氨基中的氮原子具有一定的供電子能力，它向C_3N體系中注入電子，導(dǎo)致帶隙進(jìn)一步減小至約0.7eV。這種帶隙的變化會(huì)影響材料的光電性能和半導(dǎo)體器件的性能，例如在光電器件中，帶隙的改變會(huì)影響材料對(duì)光的吸收和發(fā)射特性；在半導(dǎo)體器件中，帶隙的變化會(huì)影響器件的開關(guān)特性和漏電流等性能。4.3邊緣化學(xué)修飾下C3N輸運(yùn)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為了驗(yàn)證理論計(jì)算中邊緣化學(xué)修飾對(duì)C_3N輸運(yùn)性質(zhì)的影響，丁古巧課題組開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。他們利用CMOS工藝制作了基于C_3N材料的晶體管（FET器件），通過精心控制實(shí)驗(yàn)條件，在C_3N的邊緣成功引入了不同的化學(xué)修飾。實(shí)驗(yàn)過程中，使用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)制備的C_3N材料進(jìn)行了表面形貌觀察，清晰地顯示出材料的二維結(jié)構(gòu)以及邊緣的修飾情況，確保了邊緣化學(xué)修飾的成功實(shí)施。利用X射線光電子能譜（XPS）對(duì)邊緣化學(xué)修飾后的C_3N材料進(jìn)行了元素分析和化學(xué)態(tài)表征，精確確定了修飾原子在材料邊緣的存在形式和化學(xué)環(huán)境。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于單層C_3N薄膜的FET器件展現(xiàn)出了高達(dá)5.5×10^{10}的高開關(guān)電流比，載流子遷移率可達(dá)220cm^2/(V·s)。這一結(jié)果與理論計(jì)算中關(guān)于C_3N本征電學(xué)性質(zhì)的部分結(jié)論相吻合，驗(yàn)證了C_3N在電子器件應(yīng)用中的潛力。當(dāng)在C_3N邊緣引入氫原子修飾后，通過實(shí)驗(yàn)測量發(fā)現(xiàn)，器件的電導(dǎo)率從原始的約0.72S/cm降低至約0.4S/cm，載流子遷移率也降低至約150cm^2/(V·s)，這與理論計(jì)算中氫原子修飾導(dǎo)致載流子遷移率降低、電導(dǎo)率下降的結(jié)果一致。在對(duì)邊緣引入硼原子摻雜的C_3N進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試時(shí)，發(fā)現(xiàn)原本金屬性的C_3N轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體性質(zhì)，這與理論計(jì)算中硼原子摻雜改變C_3N能帶結(jié)構(gòu)，使其從金屬性轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體性的結(jié)論相符。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果從多個(gè)方面驗(yàn)證了邊緣化學(xué)修飾對(duì)C_3N輸運(yùn)性質(zhì)的影響，為理論研究提供了有力的實(shí)驗(yàn)支撐，也為C_3N在實(shí)際電子器件中的應(yīng)用提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。4.4結(jié)果與討論通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本研究深入揭示了邊緣化學(xué)修飾對(duì)C_3N輸運(yùn)性質(zhì)的影響規(guī)律。在理論計(jì)算方面，不同的邊緣化學(xué)修飾方式對(duì)C_3N的電子結(jié)構(gòu)和輸運(yùn)性質(zhì)產(chǎn)生了顯著不同的影響。引入氫原子修飾時(shí)，由于C-H或N-H鍵的形成，改變了邊緣原子的電子云分布和電荷分布，導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)出現(xiàn)新能級(jí)，靠近費(fèi)米能級(jí)，影響載流子的激發(fā)和傳輸；載流子遷移率降低，從原始的約200cm^2/(V·s)降至約120cm^2/(V·s)，電導(dǎo)率也隨之下降，從約0.5S/m降至約0.3S/m，帶隙減小至約0.8eV。這是因?yàn)闅湓拥碾娯?fù)性與碳原子和氮原子不同，使得電子云偏移，增加了載流子散射概率，降低了遷移率，同時(shí)電子束縛能降低，帶隙減小。硼原子摻雜時(shí)，由于硼原子價(jià)電子數(shù)與C_3N中原子不同，引入額外電子態(tài)，使能帶結(jié)構(gòu)分裂移動(dòng)，載流子遷移率降至約150cm^2/(V·s)，電導(dǎo)率略有下降至約0.45S/m，原本金屬性的C_3N轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體性質(zhì)，帶隙變化復(fù)雜，平均約為0.9eV。這是因?yàn)轭~外電子態(tài)改變了電子能量分布和傳輸路徑，雜質(zhì)散射等因素降低了遷移率，能帶結(jié)構(gòu)改變導(dǎo)致導(dǎo)電性和帶隙變化。引入羥基修飾時(shí)，羥基中的氧原子與邊緣原子形成化學(xué)鍵，導(dǎo)致電子云重新分布，產(chǎn)生有利于載流子傳輸?shù)耐ǖ?，載流子遷移率提高至約280cm^2/(V·s)，電導(dǎo)率顯著增加至約0.8S/m。這種修飾方式改變了電子結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了載流子傳輸，提高了遷移率和電導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算在主要趨勢上高度一致。丁古巧課題組制備的基于C_3N的晶體管實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)在C_3N邊緣引入氫原子修飾后，器件的電導(dǎo)率從原始的約0.72S/cm降低至約0.4S/cm，載流子遷移率降低至約150cm^2/(V·s)，與理論計(jì)算中氫原子修飾導(dǎo)致載流子遷移率降低、電導(dǎo)率下降的結(jié)果相符。對(duì)邊緣引入硼原子摻雜的C_3N進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，發(fā)現(xiàn)原本金屬性的C_3N轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體性質(zhì)，與理論計(jì)算中硼原子摻雜改變C_3N能帶結(jié)構(gòu)，使其從金屬性轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體性的結(jié)論一致。然而，理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間仍存在一定差異。理論計(jì)算基于理想模型，忽略了實(shí)際材料中的雜質(zhì)、缺陷以及制備過程中的非理想因素。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，材料不可避免存在雜質(zhì)和缺陷，這些會(huì)對(duì)載流子產(chǎn)生散射作用，影響載流子遷移率和電導(dǎo)率。實(shí)驗(yàn)測量誤差以及樣品的不均勻性等因素也可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算存在偏差。影響邊緣化學(xué)修飾作用下C_3N輸運(yùn)性質(zhì)的關(guān)鍵因素主要包括邊緣原子的電子云分布和電荷分布改變、引入的額外電子態(tài)以及化學(xué)鍵的形成和變化。邊緣化學(xué)修飾通過改變邊緣原子的電子云分布和電荷分布，影響了載流子的散射機(jī)制和傳輸路徑。引入的額外電子態(tài)改變了能帶結(jié)構(gòu)，影響了載流子的激發(fā)和傳輸?；瘜W(xué)鍵的形成和變化，如C-H、N-H、C-O-H等鍵的形成，改變了電子結(jié)構(gòu)，對(duì)載流子遷移率和電導(dǎo)率產(chǎn)生重要影響。理解這些關(guān)鍵因素，對(duì)于進(jìn)一步優(yōu)化C_3N的輸運(yùn)性質(zhì)，開發(fā)基于C_3N的高性能電子器件具有重要意義。五、單層黑磷與C3N輸運(yùn)性質(zhì)對(duì)比分析5.1應(yīng)力與邊緣化學(xué)修飾影響機(jī)制對(duì)比應(yīng)力對(duì)單層黑磷和邊緣化學(xué)修飾對(duì)C_3N輸運(yùn)性質(zhì)的影響機(jī)制既有相同點(diǎn)，也有不同點(diǎn)，這可以從原子結(jié)構(gòu)、電子態(tài)等角度進(jìn)行深入分析。從原子結(jié)構(gòu)角度來看，應(yīng)力作用于單層黑磷時(shí)，會(huì)直接改變其晶格結(jié)構(gòu)。當(dāng)在x方向施加拉伸應(yīng)力時(shí)，P-P鍵長增大，鍵角減小；在y方向施加壓縮應(yīng)力時(shí)，鍵長減小，鍵角增大。這種原子結(jié)構(gòu)的改變是由于應(yīng)力直接作用于原子間的化學(xué)鍵，使原子間的距離和相對(duì)位置發(fā)生變化。而邊緣化學(xué)修飾對(duì)C_3N原子結(jié)構(gòu)的影響則主要通過在邊緣引入新的原子或官能團(tuán)來實(shí)現(xiàn)。例如，在C_3N邊緣引入氫原子修飾時(shí)，C-H或N-H鍵的形成改變了邊緣原子的電子云分布和電荷分布，雖然整體晶格結(jié)構(gòu)未發(fā)生像黑磷那樣的明顯變形，但邊緣局部的原子環(huán)境和化學(xué)鍵性質(zhì)發(fā)生了改變。引入硼原子時(shí)，硼原子與C_3N邊緣原子形成新的化學(xué)鍵，導(dǎo)致原子結(jié)構(gòu)在局部區(qū)域發(fā)生調(diào)整。二者的相同點(diǎn)在于，它們都通過改變?cè)娱g的相互作用和化學(xué)鍵性質(zhì)，對(duì)材料的原子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響輸運(yùn)性質(zhì)。不同點(diǎn)在于，應(yīng)力是對(duì)整個(gè)材料晶格結(jié)構(gòu)的宏觀作用，而邊緣化學(xué)修飾主要是對(duì)材料邊緣局部原子結(jié)構(gòu)的改變。在電子態(tài)方面，應(yīng)力作用下單層黑磷的電子態(tài)變化主要源于晶格結(jié)構(gòu)的改變。拉伸應(yīng)力使原子間距增大，原子間相互作用減弱，電子束縛能降低，導(dǎo)致帶隙減小。在5%拉伸應(yīng)力下，黑磷的帶隙從約1.5eV減小至約1.3eV。這種電子態(tài)的變化進(jìn)一步影響了載流子的有效質(zhì)量和遷移率。而邊緣化學(xué)修飾對(duì)C_3N電子態(tài)的影響則更為復(fù)雜。以氫原子修飾為例，由于氫原子的電負(fù)性與碳原子和氮原子不同，C-H或N-H鍵的形成導(dǎo)致電子云偏移，在能帶結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)新能級(jí)，靠近費(fèi)米能級(jí)，影響載流子的激發(fā)和傳輸。硼原子摻雜時(shí)，由于硼原子價(jià)電子數(shù)與C_3N中原子不同，引入額外電子態(tài)，使能帶結(jié)構(gòu)分裂移動(dòng)。二者的相同之處在于，都通過改變電子云分布和能級(jí)結(jié)構(gòu)，對(duì)載流子的激發(fā)和傳輸產(chǎn)生影響。不同之處在于，應(yīng)力主要通過改變?cè)娱g距離和相互作用來影響電子態(tài)，而邊緣化學(xué)修飾則通過引入新的原子或官能團(tuán)，改變電子云分布和產(chǎn)生新的能級(jí)來影響電子態(tài)。在散射機(jī)制方面，應(yīng)力作用下，單層黑磷的原子結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致聲子散射增強(qiáng)，從而影響載流子遷移率。在x方向5%拉伸應(yīng)力下，電子遷移率從約1000cm^2/(V?s)降低至約800cm^2/(V?s)。而邊緣化學(xué)修飾對(duì)C_3N散射機(jī)制的影響則與引入的原子或官能團(tuán)有關(guān)。氫原子修飾增加了載流子散射概率，降低了遷移率；羥基修飾則產(chǎn)生了有利于載流子傳輸?shù)耐ǖ?，提高了遷移率。二者的相同點(diǎn)在于，都通過改變?cè)咏Y(jié)構(gòu)或電子態(tài)，對(duì)載流子的散射機(jī)制產(chǎn)生影響。不同點(diǎn)在于，應(yīng)力主要通過影響聲子散射來改變載流子遷移率，而邊緣化學(xué)修飾則通過改變邊緣的電子結(jié)構(gòu)和電荷分布，產(chǎn)生不同的散射中心和散射機(jī)制，從而影響載流子遷移率。5.2輸運(yùn)性質(zhì)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比單層黑磷和C_3N在輸運(yùn)性質(zhì)關(guān)鍵參數(shù)上存在明顯差異，這與它們各自的原子結(jié)構(gòu)、電子特性以及外部調(diào)控方式密切相關(guān)。在電導(dǎo)率方面，未施加應(yīng)力的單層黑磷電導(dǎo)率約為10^{-3}S/m，而原始C_3N的電導(dǎo)率約為0.5S/m，C_3N的電導(dǎo)率相對(duì)較高。當(dāng)對(duì)單層黑磷施加5%拉伸應(yīng)力時(shí)，電導(dǎo)率降低至約8\times10^{-4}S/m；對(duì)C_3N進(jìn)行氫原子修飾后，電導(dǎo)率降低至約0.3S/m。應(yīng)力和邊緣化學(xué)修飾都使二者電導(dǎo)率下降，但變化幅度不同，這是因?yàn)閼?yīng)力改變了黑磷的晶格結(jié)構(gòu)和電子態(tài)，影響了載流子遷移率；邊緣化學(xué)修飾改變了C_3N邊緣的電子結(jié)構(gòu)和電荷分布，增加了載流子散射概率。在載流子遷移率上，單層黑磷的電子遷移率約為1000cm^2/(V?s)，空穴遷移率約為500cm^2/(V?s)；原始C_3N的電子遷移率約為200cm^2/(V?s)。在5%拉伸應(yīng)力下，單層黑磷電子遷移率降低至約800cm^2/(V·s)；C_3N經(jīng)氫原子修飾后，電子遷移率降低至約120cm^2/(V?s)。單層黑磷本身遷移率較高，應(yīng)力對(duì)其遷移率影響相對(duì)較??；C_3N遷移率較低，邊緣化學(xué)修飾對(duì)其遷移率影響較大。這是由于黑磷的晶體結(jié)構(gòu)使其載流子遷移率較高，應(yīng)力主要通過改變?cè)咏Y(jié)構(gòu)和聲子散射來影響遷移率；而C_3N邊緣化學(xué)修飾通過改變電子云分布和引入新的散射中心，對(duì)遷移率產(chǎn)生較大影響。關(guān)于帶隙，單層黑磷是直接帶隙半導(dǎo)體，帶隙約為1.5eV；原始C_3N的帶隙約為1.0eV。在5%拉伸應(yīng)力下，單層黑磷帶隙減小至約1.3eV；C_3N經(jīng)氫原子修飾后，帶隙減小至約0.8eV。二者帶隙在外部調(diào)控下都減小，但黑磷帶隙本身較大，變化相對(duì)較小；C_3N帶隙較小，變化相對(duì)較大。這是因?yàn)閼?yīng)力作用下黑磷原子間距改變，導(dǎo)致電子束縛能變化，從而使帶隙改變；C_3N邊緣化學(xué)修飾通過引入新能級(jí)和改變電子云分布，對(duì)帶隙產(chǎn)生較大影響。這些差異的來源主要是材料本身的原子結(jié)構(gòu)、電子特性以及外部調(diào)控方式的不同。黑磷的原子排列和化學(xué)鍵性質(zhì)決定了其具有較高的載流子遷移率和較大的帶隙；C_3N的原子組成和結(jié)構(gòu)使其電導(dǎo)率和載流子遷移率與黑磷不同。應(yīng)力和邊緣化學(xué)修飾通過不同的作用機(jī)制，對(duì)兩種材料的輸運(yùn)性質(zhì)產(chǎn)生了不同程度的影響。理解這些差異對(duì)于材料的應(yīng)用具有重要意義。在電子器件應(yīng)用中，若需要高載流子遷移率的材料，單層黑磷可能更具優(yōu)勢；若對(duì)電導(dǎo)率和帶隙有特定要求，可根據(jù)具體數(shù)值選擇合適的材料，并通過相應(yīng)的外部調(diào)控方式進(jìn)行優(yōu)化。在光電器件中，帶隙的差異決定了材料對(duì)光的吸收和發(fā)射特性，可根據(jù)器件所需的光波段選擇合適的材料和調(diào)控方式。5.3應(yīng)用潛力對(duì)比單層黑磷和C_3N由于其獨(dú)特的輸運(yùn)性質(zhì)，在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出不同的應(yīng)用潛力。在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域，單層黑磷憑借其較高的載流子遷移率，約為1000cm^2/(V?s)，使其在制造高性能場效應(yīng)晶體管方面具有顯著優(yōu)勢。高遷移率意味著電子在器件中能夠快速傳輸，從而提高晶體管的開關(guān)速度，降低功耗，有望應(yīng)用于高性能計(jì)算機(jī)芯片、智能電子產(chǎn)品等領(lǐng)域，推動(dòng)電子設(shè)備向小型化、高性能化發(fā)展。而C_3N雖然載流子遷移率相對(duì)較低，約為200cm^2/(V?s)，但其通過邊緣化學(xué)修飾可實(shí)現(xiàn)對(duì)電學(xué)性能的有效調(diào)控。例如，引入羥基修飾后，電導(dǎo)率顯著增加，這使得C_3N在一些對(duì)載流子遷移率要求相對(duì)不高，但需要靈活調(diào)控電學(xué)性能的半導(dǎo)體器件中具有應(yīng)用潛力，如某些特定的傳感器件、低功耗邏輯電路等。在傳感器領(lǐng)域，單層黑磷的高載流子遷移率和可調(diào)節(jié)帶隙特性使其對(duì)某些氣體分子具有較高的靈敏度。當(dāng)黑磷表面吸附特定氣體分子時(shí)，氣體分子與黑磷之間的相互作用會(huì)改變黑磷的電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響其電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)，通過檢測這些變化可以實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體分子的高靈敏檢測。因此，單層黑磷在氣體傳感器方面具有良好的應(yīng)用前景，可用于檢測空氣中的有害氣體、生物體內(nèi)的特定分子等。C_3N則由于其良好的化學(xué)穩(wěn)定性和邊緣化學(xué)修飾對(duì)電學(xué)性能的調(diào)控作用，在生物傳感器領(lǐng)域展現(xiàn)出潛力。通過在C_3N邊緣修飾特定的生物分子識(shí)別基團(tuán)，利用邊緣化學(xué)修飾對(duì)電學(xué)性能的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的特異性識(shí)別和檢測。例如，在C_3N邊緣修飾抗體分子，當(dāng)抗體與目標(biāo)抗原結(jié)合時(shí)，會(huì)引起C_3N電學(xué)性能的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子的檢測。在光電器件領(lǐng)域，單層黑磷的直接帶隙特性使其在紅外光探測和光伏設(shè)備中具有應(yīng)用潛力。其帶隙可以通過層數(shù)的控制進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠覆蓋從可見光到近紅外的廣泛光譜范圍，成為紅外傳感器和光伏電池的理想材料。隨著5G技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的普及，黑磷在高速、低延遲的光通訊系統(tǒng)中的應(yīng)用前景也日益明朗。C_3N雖然帶隙相對(duì)較小，但其在光學(xué)方面也表現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)，如對(duì)光的吸收和發(fā)射具有特異性。通過邊緣化學(xué)修飾改變其電子結(jié)構(gòu)，可進(jìn)一步調(diào)控其光學(xué)性能，在一些特定波長的光探測器、發(fā)光二極管等光電器件中具有潛在應(yīng)用價(jià)值。例如，通過邊緣化學(xué)修飾使C_3N的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定波長光的高效吸收和發(fā)射，應(yīng)用于光通信中的光調(diào)制器、光開關(guān)等器件。5.4結(jié)果與討論綜合對(duì)比分析應(yīng)力作用下單層黑磷與邊緣化學(xué)修飾作用下C_3N的輸運(yùn)性質(zhì)，兩者在原子結(jié)構(gòu)、電子態(tài)和散射機(jī)制等影響機(jī)制方面既有相同點(diǎn)，也有不同點(diǎn)。相同點(diǎn)在于，都通過改變?cè)娱g相互作用、電子云分布和能級(jí)結(jié)構(gòu)，對(duì)載流子的激發(fā)、傳輸和散射機(jī)制產(chǎn)生影響。不同點(diǎn)在于，應(yīng)力主要作用于整個(gè)材料晶格結(jié)構(gòu)，通過改變?cè)娱g距和相互作用影響電子態(tài)和聲子散射；而邊緣化學(xué)修飾主要作用于材料邊緣局部，通過引入新原子或官能團(tuán)改變電子云分布和產(chǎn)生新能級(jí)，影響載流子散射機(jī)制。在輸運(yùn)性質(zhì)關(guān)鍵參數(shù)上，兩者也存在明顯差異。電導(dǎo)率方面，原始C_3N的電導(dǎo)率高于未施加應(yīng)力的單層黑磷，應(yīng)力和邊緣化學(xué)修飾都使二者電導(dǎo)率下降，但變化幅度不同。載流子遷移率上，單層黑磷遷移率較高，應(yīng)力對(duì)其影響相對(duì)較小；C_3N遷移率較低，邊緣化學(xué)修飾對(duì)其影響較大。帶隙方面，單層黑磷帶隙較大，應(yīng)力作用下變化相對(duì)較小；C_3N帶隙較小，邊緣化學(xué)修飾對(duì)其變化影響相對(duì)較大。這些差異源于材料本身的原子結(jié)構(gòu)、電子特性以及外部調(diào)控方式的不同。從應(yīng)用潛力來看，單層黑磷在對(duì)載流子遷移率要求高的半導(dǎo)體器件、氣體傳感器以及光電器件的紅外光探測和光伏設(shè)備等領(lǐng)域具有優(yōu)勢；C_3N在需要靈活調(diào)控電學(xué)性能的半導(dǎo)體器件、生物傳感器以及特定波長光電器件等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。綜上所述，應(yīng)力作用下單層黑磷和邊緣化學(xué)修飾作用下C_3N在輸運(yùn)性質(zhì)和應(yīng)用方面各有優(yōu)勢與局限。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)具體需求選擇合適的材料，并通過相應(yīng)的外部調(diào)控方式對(duì)其輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行優(yōu)化，以充分發(fā)揮材料的性能優(yōu)勢。未來的研究可以進(jìn)一步探索更有效的調(diào)控方法，深入研究材料在復(fù)雜環(huán)境下的長期穩(wěn)定性和可靠性，為其大規(guī)模應(yīng)用提供更堅(jiān)實(shí)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本研究通過理