首页> 正文

高压下过渡金属硫族化合物的电输运性质及其金属化相变

2020-12-11阅读(394)

高压下过渡金属硫族化合物的电输运性质及其金属化相变

论文摘要

过渡金属硫族化合物的高压研究无论是在基础研究还是在应用方面都具有十分重要的意义。许多过渡金属硫族化合物在高压下会发生结构相变、金属化相变等变化。研究高压下这些变化将有助于理解凝聚态体系中原子的键合与解离,认识原子间相互作用规律,揭示新的物理规律,从而为实际应用提供可靠理论依据。高压下对某些过渡金属硫族化合物的电子结构和电输运性质的研究可以为它们在光电光伏材料方面性能的优化提供理论依据。等结构相变研究可以为人们认识高压相变的机制以及驱动力提供一个新的途径。对于许多压致结构相变,X射线衍射能探测到其结构的变化。但是对于等结构相变而言,X射线衍射对其并不敏感。这时高压下原位物理量测量就可以用来探测等结构相变。但是由于高压实验技术的限制,大多数等结构相变都是用理论计算来研究的。本论文主要利用高压下的原位电输运性质测量方法结合第一性原理计算,从实验和理论两个方面研究了压致等结构相变的特点和规律。我们以过渡金属硫族化合物中的WS2、WSe2、MoS2、MoSe2和TiS2等五种化合物为研究对象。研究的主要内容包括利用高压原位电阻率测量技术和高压原位Hall效应测量技术,结合同步辐射实验技术以及第一性原理计算对它们的高压下等结构相变、金属化机制、金属化相变趋势以及电输运行为的压力效应进行了系统的研究和分析。高压下原位电阻率测量和高压下原位Hall效应测量发现了WSe2在38.1GPa处发生一个压致等结构半导体到半金属的相转变。第一性原理研究结果表明在常压下WSe2是一个能隙为1.2eV的半导体,随着压力的增加在费米面附近W的5dX2-Y2态、5dxy态和Se的4p态耦合程度增大,这意味着W原子和Se原子的距离随着压力的增大而减小,使得WSe2由半导体转变为半金属。由此可以推断高压下WSe2的半金属性应该源自于层内W-Se共价键间的电荷转移而不是层间的范德瓦尔斯键。MoSe2样品的金属化发生在35.7GPa。我们在测量MoSe2的电阻率随着压力变化的曲线时发现在35.7GPa时存在异常变化,此处可能存在相变。为了弄清楚这个相变此后又开展了高压下MoSe2电阻率随温度变化关系的测量和X射线衍射测量。结果表明在35.7GPa之前电阻率随温度的升高而减小,显示半导体性。高于35.7GPa时电阻率随温度的变化曲线的斜率变成负值,这意味着此时MoSe2转变为半金属性。而高压X射线衍射谱表明在0-36.4GPa范围内既没有衍射峰消失也没出现新的衍射峰,晶体结构并没有变化。因此我们认定这是一个等结构相变。第一性原理的研究结果表明随着压力的增加导带底和价带顶相互靠近,在30GPa时出现间接的能带交叠。所以这个压致等结构的半导体-半金属的相转变是由能带闭合引起的。在实验压力范围内没有发现WS2和MoS2有金属化相变发生。它们的电阻率随着压力的变化曲线是连续的,并没有发生突变。通过变温电阻率测量获得了WS2传导激活能随着压力的变化关系。由此说明了随着压力的增加原子之间的距离靠近电子轨道波函数交叠程度增加,能带展宽,能隙变窄。所以原来处于带隙中或者价带顶部的杂质能级扩散到导带参与传导。这种杂质能级的压力效应引起的附加载流子是WS2和MoS2的电阻率随着压力升高而线性下降的根本原因。通过对WS2、WSe2、MoSe2金属化压力的分析和对比,可以看出TMDCs金属化过程中阴阳离子电负性越小,过渡金属和硫族元素之间的电荷转移越容易,化合物的金属化压力则越低。过渡金属d态电子决定TMDCs的基本性质但是在压致金属化过程中硫族元素的p态电子的参与起着至关重要的作用。关于TiS2的基态电子结构是半导体还是半金属存在很大争议,每个观点都有实验和理论支持。第一性原理计算TiS2的基态电子结构的结果表明S的3p态形成价带,Ti的3d态形成导带,他们在费米能级处形成间接能带交叠。所以TiS2的基态电子结构是半金属。电阻率随温度曲线的斜率为正,且电阻主要来自于电子-电子散射,这些实验方面的证据也表明TiS2具有半金属的传导性质。许多人认为TiS2是内禀半导体的研究者把表现它出来的金属性归因于杂质或者缺陷。而EDX和XRD数据证明了实验所用的TiS2样品无杂质且具有理想的化学比例,因此排除了由于杂质或者Ti原子超量引起的金属化,从而确定了半金属性是TiS2的内禀属性。变温Hall效应测量表明：液氮温度下的Hall迁移率降低到原来的一半,而载流子浓度保持不变。因此降低温度会使电阻率降低。这是TiS2的电阻率随着温度曲线表现出金属特性的根本原因。对于TiS2电输运性质的压力效应的研究是从实验和理论两个方面开展的。第一性原理计算表明高压下TiS2依然保持半金属性的电子结构。而且费米面附近的能带交叠程度在高压下保持不变。不同压力下的电阻率随温度曲线也证明了TiS2依然保持其半金属特性。压力诱导电阻率的变化关系表明在15GPa前后电阻率变化曲线的斜率存在明显的差异。高压Hall效应研究结果表明在15GPa以前电子浓度随着压力的增大而增加,15GPa以后载流子趋于饱和。通过分析认为是压致杂质能级离化激发出的额外电子导致了载流子浓度在15GPa以前载流子的增加。而在15GPa以后所有杂质能级都已经被离化,载流子趋于饱和。这时只有迁移率增加一种因素使电阻率降低,因此15GPa以后电阻率随压力变化曲线明显变缓。我们把半导体的压致离化模型应用到半金属上,并合理地解释了TiS2电输运性质的压力效应。

论文目录

  • 中文摘要
  • Abstract
  • 第一章 前言
  • §1.1 过渡金属硫族化合物概述
  • §1.1.1 半导体材料简介
  • §1.1.2 过渡金属硫族化合物的结构特点
  • §1.1.3 过渡金属硫族化合物的基本物性
  • §1.2 过渡金属硫族化合物的高压研究
  • §1.2.1 高压下TMDCs的晶体结构
  • §1.2.2 高压下TMDCs的电子结构及其电输运性质
  • §1.3 论文选题目的和意义
  • §1.4 论文各部分的主要内容
  • 参考文献
  • 第二章 高压下电输运性质研究的实验方法和理论基础
  • §2.1 高压物理学概述
  • §2.1.1 高压物理的发展历程
  • §2.1.2 高压实验装置
  • §2.2 高压下电学量原位测量技术
  • §2.2.1 高压电学测量技术概述
  • §2.2.2 范德堡法的原理
  • §2.2.3 范德堡电极在金刚石对顶砧上的集成
  • §2.2.4 样品的组装和测量方法
  • §2.2.5 压力的测量方法
  • §2.3 高压同步辐射X射线衍射实验方法
  • §2.4 电子结构模拟的方法
  • §2.4.1 软件介绍
  • §2.4.2 CASTEP的理论基础
  • §2.4.3 参数设置和计算步骤
  • 参考文献
  • 2（X=S,Se）的电学性质及金属化相变研究'>第三章 高压下WX2（X=S,Se）的电学性质及金属化相变研究
  • §3.1 引言
  • 2（X=S,Se）的电阻率'>§3.2 高压下WX2（X=S,Se）的电阻率
  • 2的电阻率'>§3.2.1 压力诱导下WSe2的电阻率
  • 2的电阻率'>§3.2.2 压力诱导下WS2的电阻率
  • 2的电阻率'>§3.3 压力温度诱导下WX2的电阻率
  • 2电阻率的变温测量结果'>§3.3.1 WSe2电阻率的变温测量结果
  • 2电阻率的变温测量结果'>§3.3.2 WS2电阻率的变温测量结果
  • 2的压制金属化相变'>§3.4 WSe2的压制金属化相变
  • 2常压电子结构'>§3.4.1 WSe2常压电子结构
  • 2高压电子结构'>§3.4.2 WSe2高压电子结构
  • §3.4.3 理论模拟和实验测量结果的比较
  • §3.5 本章小结
  • 参考文献
  • 2（X=S,Se）的电学性质及金属化相变研究'>第四章 高压下MoX2（X=S,Se）的电学性质及金属化相变研究
  • §4.1 引言
  • 2的金属化相变'>§4.2 高压下MoSe2的金属化相变
  • 2的电阻率'>§4.2.1 压力诱导下MoSe2的电阻率
  • 2的高压XRD测量结果'>§4.2.2 MoSe2的高压XRD测量结果
  • 2电阻率的变温测量结果'>§4.2.3 MoSe2电阻率的变温测量结果
  • 2的能带结构计算'>§4.2.4 MoSe2的能带结构计算
  • 2电输运性质的压力效应'>§4.3 MoS2电输运性质的压力效应
  • §4.4 四种TMDCs化合物的压致金属化比较
  • §4.5 小结
  • 参考文献
  • 2的电子结构及其电输运机制研究'>第五章 高压下TiS2的电子结构及其电输运机制研究
  • §5.1 引言
  • 2样品的表征'>§5.2 TiS2样品的表征
  • 2的电学性质研究'>§5.3 常压下TiS2的电学性质研究
  • 2的电子结构'>§5.3.1 TiS2的电子结构
  • 2的电输运性质测量'>§5.3.2 TiS2的电输运性质测量
  • 2电输运性质的压力效应研究'>§5.4 TiS2电输运性质的压力效应研究
  • 2的电子结构'>§5.4.1 高压下TiS2的电子结构
  • 2电阻率的变温测量'>§5.4.2 高压下TiS2电阻率的变温测量
  • 2的电阻率'>§5.4.3 高压诱导下TiS2的电阻率
  • 2的电输运机制'>§5.4.4 高压下TiS2的电输运机制
  • §5.5 本章小结
  • 参考文献
  • 第六章 总结与展望
  • 作者简介及在学期间所取得的科研成果
  • 致谢

    • 相关论文文献

    • [1].过渡金属硫族磷酸盐的两维铁电性研究进展[J]. 苏州科技大学学报(自然科学版) 2020(01)
    • [2].世界一流科技期刊文章精选[J]. 科学中国人 2020(15)
    • [3].二维过渡金属二硫族化合物的相工程（英文）[J]. Science China Materials 2019(06)
    • [4].化学气相沉积法合成二维过渡金属硫族化合物研究进展[J]. 化学学报 2015(09)
    • [5].硫族铅化物阳离子低电子态的理论研究[J]. 物理化学学报 2014(03)
    • [6].MnS、CdS的压致导电性能变化[J]. 有色金属工程 2020(08)
    • [7].一步法可控减薄和掺杂二维过渡金属硫族化合物（英文）[J]. Science China Materials 2019(12)
    • [8].氢诱导二维硫族化合物PtX_2的电磁特性研究[J]. 电子科技 2020(01)
    • [9].面向微电子应用的二维过渡金属硫族化合物制备进展[J]. 科学通报 2017(36)
    • [10].过渡金属硫族化合物的制备、特性和光电应用[J]. 中国激光 2017(07)
    • [11].过渡金属硫族化合物柔性基底体系的模型与应用[J]. 物理学报 2018(21)
    • [12].攀西钒钛磁铁矿硫族元素工艺矿物学研究[J]. 中国矿业 2016(01)
    • [13].过渡金属硫族化合物用于电解水析氢研究的重要进展[J]. 物理化学学报 2016(06)
    • [14].硫族元素取代法制备原子层厚的MoS_2-MoSe_2平面异质结[J]. 材料科学与工程学报 2020(05)
    • [15].二维硫族化物ScX_2电子结构的计算研究[J]. 湖北科技学院学报 2018(03)
    • [16].硫粉为硫源,多元醇辅助合成硫化钼纳米片（英文）[J]. 物理化学学报 2017(05)
    • [17].阴极氧还原催化剂Co基过渡金属硫族化合物的研究进展[J]. 材料导报 2010(S2)
    • [18].二维过渡金属硫族化合物纳米材料的制备技术及其应用[J]. 现代化工 2015(12)
    • [19].二维过渡金属硫族化合物纳米材料的制备与应用研究进展[J]. 化学学报 2017(10)
    • [20].氩气生长压力对脉冲激光沉积亚铜基硫族化合物薄膜组分的调控（英文）[J]. Science China Materials 2015(04)
    • [21].第四主族金属硫族化合物二维材料研究进展[J]. 科学通报 2017(20)
    • [22].含硫族元素碳硼烷半夹芯式有机金属钌化合物的研究进展[J]. 上饶师范学院学报 2013(06)
    • [23].硫族纳米材料的合成、应用以及生物效应的研究进展[J]. 生物加工过程 2019(04)
    • [24].类石墨烯硫族化合物纳米材料及其在能源领域中的应用[J]. 材料导报 2016(11)
    • [25].二维过渡金属硫族化合物在生物医学中的应用[J]. 化学学报 2015(09)
    • [26].超声电化学法制备纳米金属及硫族半导体研究进展[J]. 粉末冶金材料科学与工程 2008(01)
    • [27].科学前沿[J]. 科学中国人 2012(09)
    • [28].铜基硫族化合物热电材料（英文）[J]. Science China Materials 2019(01)
    • [29].p型透明导电材料及器件应用研究进展[J]. 激光与光电子学进展 2009(09)
    • [30].Cu_2ZnSnS_4类四元硫族半导体的理论研究——以二元、三元、四元半导体的演化为思路[J]. 物理 2011(04)

    标签：;  ;  ;  ;  ;  

    高压下过渡金属硫族化合物的电输运性质及其金属化相变
    下载Doc文档

    猜你喜欢

    © 2024 毕速过 版权所有 鄂ICP备12018319号-5