二维半导体中缺陷与掺杂的第一性原理研究

Two-dimensional (2D) semiconductors have great potentials in many optoelectronics and nanoelectronics applications, due to their thin thickness, good mechanical performance, and unique physical and chemical properties. To realize those applications, defects and dopings are always needed to modulate the electronic structures of 2D semiconductors; however, theoretical studies on defects and dopings in 2D semiconductors are still in the early stage. In this project, using first-principles calculations, we will apply the mature research experiences in traditional 3D semiconductors to 2D semiconductors, and explore new phenomena in defects and dopands of 2D semiconductors: We will study defects and dopants inside the 2D semiconductors and adsorbed on 2D surfaces at various charge states, and the effects of the environment on those defects and dopants; we will also study codopings in 2D semiconductors, and search for new codoping mechanisms; besides the above static properties, we will investigate dynamic properties, such as transition states and rates, which can reveal the formation, property, stability, etc. issues of defects and dopants from the dynamic aspect. This study can greatly deepen our understandings on defects and dopants in 2D semiconductors, pave the way for improving 2D semiconductor properties, and provide theoretical guidance for future applications of 2D semiconductors.

二维半导体尺寸小、机械性能好、有独特的物理和化学性质，在光电子学和纳米电子学等领域具有广泛的应用前景。为了实现这些应用，往往需要通过在二维半导体中引入缺陷与掺杂来调节其电子结构，然而二维半导体中缺陷与掺杂的理论研究还很缺乏。本项目利用第一性原理计算，将传统的三维半导体中缺陷与掺杂的研究经验应用到二维半导体中，并探索二维半导体中缺陷与掺杂的新物理现象：研究二维半导体体内及表面吸附的各种缺陷与掺杂在不同价态时的物理性质，以及环境因素对这些性质的影响机制；研究二维半导体中共掺杂及其对电子结构的影响，并探索可能的新型共掺杂机制；研究缺陷与掺杂以及共掺杂的过渡态、迁移率等动力学问题，从动力学的角度探索缺陷与掺杂的形成、性质、稳定性等物理问题。这项研究将加深人们对二维半导体中缺陷与掺杂的理解，并提出改进二维半导体性质的方案，为促进二维半导体的未来应用提供理论基础。

石墨烯的成功剥离开启了二维材料的研究热潮，随后其它二维材料也相继通过体相剥离或外延生长等方法制备出来。这些二维材料厚度薄、机械性能好、有独特的物理和化学性质，可以用来制作下一代超薄和可弯曲器件，在光伏、光催化、光电探测等领域有广泛的应用前景。要实现这些应用，就需要在二维半导体中引入缺陷与掺杂来调节其电子结构，然而二维半导体中缺陷与掺杂的理论研究尚不完善。本项目利用第一性原理计算，研究了二维半导体中单独的掺杂、共掺杂、以及表面吸附掺杂在光激发下的电子动力学行为。在单独的掺杂方面，我们研究了螺旋位错对二硒化钼电子结构的影响机制，指出螺旋位错会弱化层间耦合，理论计算结果与实验吻合；通过研究外电场下石墨烯上水分子的吸附掺杂，估算了水分子和石墨烯之间的电荷转移，解释了实验上观察到的石墨烯中非局域栅极效应。在共掺杂方面，我们研究了二硫化钼中单施主和双受主的共掺杂，发现在二维材料中共掺杂的库仑相互作用强因而结构稳定，由于屏蔽作用弱导致施主能级与受主能级之间的耦合强。但由于二硫化钼中双受主的缺陷能级过深，难以实现浅能级的共掺杂。在动力学方面，我们发现掺杂体系的电子动力学行为更具研究价值，因而着重研究了光激发下吸附掺杂系统的电子动力学行为，揭示了表面吸附的银纳米颗粒与半导体衬底之间热载流子转移的动力学过程及其物理机制。本项目基本完成了研究目标。本项目执行期间，发表ACS Nano和Nano Research论文各一篇，另外还有两篇工作在整理投稿中，预计2021年发表。本项目的研究加深了人们对二维半导体中缺陷与掺杂的理解，为促进二维半导体的未来应用提供理论基础。