砷化硼及其异质结构的输运性质研究.pdf

摘要

自1957年Perri成功制备砷化硼(BAs)以来，BAs因其独特的物化性质，而引起了

人们的关注。高质量的立方相砷化硼(c-BAs)可以通过化学气相输运法(CVT)制备得到。

-1

c-BAs具有与硅相似的电子结构但是拥有更宽的带隙，其室温热导率高达1300WmK

-1，超过了除金刚石以外的所有其它块体材料，在微电子学和热管理等领域极具应用前

景。六角砷化硼(h-BAs)是一种各向同性半导体材料，拥有良好的机械性质和热导性，

还是一种理想的碱金属电池的阳极材料。考虑到材料在制备过程中难免引入缺陷和应

变而改变材料的性质，同时以这种材料为基础形成的异质结构通常表现出新颖物理化

学属性。本文以BAs为核心研究对象，系统的研究了应变对c-BAs电子结构与光电输

运性质的影响，本征缺陷对h-BAs的电子结构与热电性质的影响和基于h-BAs的范德

瓦尔斯异质结的电子结构和光电输运性质。我们得到了一些新颖的研究成果，并以此

为基础讨论了其在微电子器件和光伏器件中的潜在应用前景，主要内容如下：

1.应变对c-BAs电子结构、光学和热电输运性质的影响。利用第一性原理系统的

研究了-5~5%的应变对c-BAs结构稳定性、电子性质、机械性能、光学和热电输运性

质的影响。应变范围内c-BAs始终保持良好的稳定性，电子结构受应变影响非常小。

c-BAs5%

拉伸应变下在可见光范围内光吸收系数整体表现出增大的趋势，拉伸应变下

5-1

c-BAs可见光范围内光吸收系数高达2×10cm。拉伸应变由于降低了光学声子，禁止

了aao(两个声学声子和一个光学声子散射，削弱了)aaa(三个声学声子散射，而降)

低了热导率，进而使热电性能有所提升。在1500K时，5%拉伸应变下c-BAs的ZT值

提升到0.6。研究结果为c-BAs在半导体材料，光电器件，热电材料领域的实际应用提

供了理论支持。

2.本征缺陷对h-BAs电子结构和热电输运性质的影响。研究结果显示：七种可能

存在的本征缺陷中只有As原子取代B原子的反位缺陷保留了半导体性质，其他缺陷都

导致h-BAs表现出金属性。空位缺陷和间隙缺陷使系统引入磁性，磁性主要来源于缺

陷附近原子的s和p轨道，d轨道的贡献几乎可以忽略不计。B原子取代As原子的反

位缺陷显著提高了系统的热电性能。研究结果为二维BAs在磁性材料、微电子器件和

热电材料中的应用提供了依据。

I

3.不同堆垛模式下h-BAs/WSe异质结可调控的电子结构和光电性质。构建了六

2

种h-BAs/WSe异质结，选取其中两种稳定的结构对其电子结构和光电性质进行了研究。

2

结果显示，相似的堆垛方式表现出了不同的能带对准方式。表现出型能带排布的异I

5-1

质结除了在可见光与紫外表现出优异的光吸收外，在近红外也拥有高达1.02×10cm

的光吸收系数，在光热治疗和生物催化领域有着巨大应用潜力。表现出II构型的异质

3%4.48%20.90%

结在的双轴应变下光电转换效率由提升至，可以作为太阳能电池的原

材料。研究结果为下一代光电产品，光热治疗材料，太阳能电池原材料提供了良好的

候选者。

关键词：砷化硼，应变，缺陷，异质结

II

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