应力与边缘化学修饰对二维材料输运性质的影响与调控机制研究

应力与边缘化学修饰对二维材料输运性质的影响与调控机制研究一、引言1.1研究背景与意义随着纳米技术的飞速发展，二维材料因其独特的原子结构和优异的物理性质，在纳米器件、能源存储与转换、传感器等众多领域展现出了巨大的应用潜力，成为了材料科学领域的研究热点之一。二维材料是指由原子或分子在二维平面上紧密排列形成的，厚度在原子尺度级别（通常小于1纳米）的材料，其独特的二维结构赋予了它们许多区别于传统三维材料的优异特性，如高载流子迁移率、大比表面积、可调控的带隙等，这些特性使得二维材料在构建高性能纳米器件方面具有显著优势，有望推动电子学、能源等领域的技术变革。在众多二维材料中，单层黑磷和C_3N以其独特的性能特点受到了广泛关注。单层黑磷，作为磷的一种同素异形体，具有类似于蜂窝状的晶体结构，由磷原子通过共价键相互连接形成六角形的网格。这种特殊的结构赋予了黑磷许多优异的物理性质，如高载流子迁移率、可调带隙以及良好的光学和电学性能。其载流子迁移率可达到1000cm^2/(V・s)，与传统的硅基材料相比具有明显优势，这使得黑磷在高速电子器件领域具有巨大的应用潜力，有望用于制造高性能的场效应晶体管、逻辑电路等。同时，黑磷的带隙可以通过施加外部电场或与衬底相互作用等方式在一定范围内进行调控，从0.3eV（体相黑磷）到1.5eV（单层黑磷），这种可调控的带隙特性使得黑磷在光电器件领域也具有广阔的应用前景，如可用于制备光电探测器、发光二极管等。然而，黑磷在实际应用中也面临一些挑战，例如其稳定性较差，在空气中容易被氧化，这限制了其大规模应用。C_3N是一种新型的二维材料，具有类似石墨烯的六角形晶格结构，其中碳原子和氮原子通过共价键相互连接。C_3N材料具有较高的硬度、良好的热稳定性和化学稳定性，以及独特的电子结构和光学性质。其理论硬度可与金刚石相媲美，热稳定性在高温环境下依然表现出色，这使得C_3N在耐磨材料、高温器件等领域具有潜在的应用价值。在电子学领域，C_3N的电子结构使其具有一定的导电性，并且可以通过化学修饰等方法对其电学性能进行调控，有望应用于构建新型的电子器件，如晶体管、传感器等。在光学方面，C_3N对光的吸收和发射表现出与传统材料不同的特性，可用于开发新型的光电器件，如光电探测器、发光二极管等。但C_3N的制备工艺还不够成熟，大规模高质量制备C_3N材料仍面临一定的困难。材料的输运性质是决定其在电子器件等应用中性能表现的关键因素之一。而应力和边缘化学修饰作为两种重要的外部调控手段，能够有效地改变二维材料的原子结构和电子云分布，从而对其输运性质产生显著影响。应力可以通过改变材料的晶格常数和原子间的键长、键角，进而影响材料的电子能带结构和载流子迁移率。例如，在对某些二维材料施加拉伸或压缩应力时，材料的带隙会发生变化，载流子的有效质量也会改变，从而导致载流子迁移率的改变，最终影响材料的电学输运性质。边缘化学修饰则是通过在材料的边缘引入特定的原子或官能团，改变边缘的电子结构和化学活性，进而影响材料的整体输运性质。不同的边缘化学修饰方式可以在材料边缘产生不同的电荷分布和能级结构，从而对载流子的传输过程产生不同的影响，如改变载流子的散射机制、调控载流子的注入和提取效率等。深入研究应力作用下单层黑磷与边缘化学修饰作用下C_3N的输运性质，不仅有助于我们从微观层面理解二维材料的电子输运机制，丰富和完善二维材料的基础理论，还能为新型纳米器件的设计和开发提供重要的理论依据和技术支持。通过掌握应力和边缘化学修饰对材料输运性质的调控规律，我们可以有针对性地对材料进行优化和改性，提高其在电子器件、能源存储与转换等领域的应用性能，推动相关领域的技术进步和产业发展，具有重要的科学意义和实际应用价值。1.2研究目标与内容本研究旨在深入探究应力作用下单层黑磷与边缘化学修饰作用下C_3N的输运性质，揭示其内在的物理机制，为这两种二维材料在纳米器件等领域的实际应用提供坚实的理论基础和技术支持。具体研究内容如下：应力作用下单层黑磷输运性质的理论计算与分析：运用第一性原理计算方法，构建精确的单层黑磷原子模型，全面考虑不同方向和大小的应力作用情况。通过模拟计算，深入研究应力对单层黑磷晶格结构、电子能带结构、载流子有效质量和迁移率等输运性质的影响规律。分析应力作用下，单层黑磷的能带结构如何发生变化，如带隙的改变、能带极值点的移动等，以及这些变化如何进一步影响载流子的有效质量和迁移率，从而明确应力调控单层黑磷输运性质的微观机制。边缘化学修饰对输运性质的影响研究：采用化学修饰的方法，在C_3N的边缘引入不同类型的原子或官能团，如氢原子、羟基、氨基等，构建多种边缘化学修饰的C_3N模型。利用密度泛函理论等计算手段，研究不同边缘化学修饰方式对C_3N的边缘电子结构、电荷分布以及整体输运性质的影响。分析边缘化学修饰如何改变C_3N边缘的电子云分布和能级结构，进而影响载流子在材料内部的传输过程，包括载流子的散射机制、注入和提取效率等。通过对比不同修饰模型的计算结果，总结出边缘化学修饰与C_3N输运性质之间的内在联系和规律。实验制备与表征：基于理论计算结果，设计并通过化学气相沉积（CVD）、分子束外延（MBE）等实验方法制备出高质量的单层黑磷和边缘化学修饰的C_3N材料。利用扫描隧道显微镜（STM）、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）等微观表征技术，对制备材料的原子结构、表面形貌和边缘化学组成进行精确表征，确保材料的质量和结构符合预期。运用四探针法、霍尔效应测量等实验手段，测量材料在不同条件下的电学输运性质，如电导率、载流子浓度和迁移率等，并将实验测量结果与理论计算结果进行对比分析，验证理论模型的准确性和可靠性。基于输运性质的器件性能模拟与优化：根据对单层黑磷和C_3N输运性质的研究成果，利用器件模拟软件，构建基于这两种材料的纳米器件模型，如场效应晶体管（FET）、光电探测器等。模拟器件在不同工作条件下的性能表现，分析输运性质对器件性能的影响，如载流子迁移率对器件开关速度的影响、带隙对器件光电响应特性的影响等。通过优化材料的结构和输运性质，如调整应力大小或边缘化学修饰方式，对器件性能进行优化设计，提出提高器件性能的有效方案，为实际器件的研发提供理论指导。1.3研究方法与技术路线为了实现本研究的目标，深入探究应力作用下单层黑磷与边缘化学修饰作用下C_3N的输运性质，将综合运用多种理论计算方法和实验技术，并遵循严谨的技术路线开展研究工作。理论计算方法：第一性原理计算：基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算是本研究的核心理论方法之一。该方法从量子力学的基本原理出发，通过求解薛定谔方程，能够精确地计算材料的电子结构、原子结构以及各种物理性质，且无需依赖任何经验参数。在研究应力作用下单层黑磷和边缘化学修饰作用下C_3N的输运性质时，使用诸如VASP、CASTEP等第一性原理计算软件，构建单层黑磷和C_3N的原子模型，精确计算不同应力条件下单层黑磷的晶格结构、电子能带结构、电荷密度分布等，以及不同边缘化学修饰方式下C_3N的边缘电子结构、电荷分布等信息。通过这些计算结果，深入分析应力和边缘化学修饰对材料电子结构的影响，进而揭示其对输运性质的作用机制。例如，在研究应力对单层黑磷输运性质的影响时，通过第一性原理计算可以得到应力作用下黑磷的能带结构变化，包括带隙的改变、能带极值点的移动等，从而明确应力如何影响载流子的有效质量和迁移率。在研究边缘化学修饰对C_3N输运性质的影响时，通过计算不同修饰模型的电荷密度分布和电子态密度，分析边缘化学修饰如何改变C_3N的电子结构，进而影响载流子的传输过程。紧束缚近似模型：紧束缚近似模型是一种常用于研究固体材料电子结构的简化理论方法。它基于电子在原子轨道附近运动的假设，将固体中的电子看作是被束缚在各个原子周围，仅考虑相邻原子间电子的微弱相互作用，从而简化了复杂的多体问题。在本研究中，对于一些复杂的体系或大规模的计算，采用紧束缚近似模型进行辅助计算和分析。通过构建单层黑磷和C_3N的紧束缚模型，计算材料的能带结构、电子态密度等物理量，与第一性原理计算结果相互验证和补充。例如，在研究C_3N的电子结构时，利用紧束缚近似模型可以快速地计算出不同边缘化学修饰下C_3N的能带结构变化趋势，为进一步深入研究提供初步的理论依据。同时，紧束缚近似模型还可以用于研究材料在大尺度下的电子输运性质，通过与实验结果对比，验证模型的有效性和准确性。散射矩阵方法与格林函数：散射矩阵方法和格林函数是研究电子输运性质的重要理论工具。散射矩阵方法通过描述电子在材料中的散射过程，计算电子在不同散射中心之间的传输概率，从而得到材料的电导率、载流子迁移率等输运性质。格林函数则是一种用于描述量子体系中粒子相互作用的数学工具，通过求解格林函数可以得到电子在材料中的传播特性和散射机制。在本研究中，运用散射矩阵方法和格林函数，结合第一性原理计算得到的电子结构信息，计算应力作用下单层黑磷和边缘化学修饰作用下C_3N的输运性质，如电导率、载流子迁移率、热电系数等。分析电子在材料中的散射机制，包括声子散射、杂质散射、边界散射等对输运性质的影响，深入理解材料的电子输运过程。例如，通过散射矩阵方法计算不同应力条件下单层黑磷中电子的散射概率，分析应力对电子散射机制的影响，从而解释应力如何改变黑磷的载流子迁移率和电导率。在研究边缘化学修饰对C_3N输运性质的影响时，利用格林函数分析边缘化学修饰引入的杂质或缺陷对电子散射机制的影响，进而揭示其对输运性质的调控作用。技术路线：模型构建：首先，根据单层黑磷和C_3N的晶体结构特点，运用MaterialsStudio、VESTA等结构建模软件，构建高精度的单层黑磷和C_3N原子模型。对于单层黑磷模型，考虑不同的晶胞参数和原子坐标，以准确描述其真实的晶体结构。对于C_3N模型，构建不同边缘结构的模型，如锯齿形边缘和扶手椅形边缘等，并在此基础上引入不同类型的边缘化学修饰，如氢原子修饰、羟基修饰、氨基修饰等，构建多种边缘化学修饰的C_3N模型。在构建模型过程中，充分考虑原子间的相互作用和边界条件，确保模型的合理性和准确性。理论计算与模拟：将构建好的模型导入到第一性原理计算软件（如VASP、CASTEP）中，进行结构优化和电子结构计算。在结构优化过程中，通过最小化体系的总能量，得到材料在不同条件下的稳定原子结构。在电子结构计算中，计算材料的电子能带结构、电荷密度分布、电子态密度等物理量，分析应力和边缘化学修饰对材料电子结构的影响。利用紧束缚近似模型，对部分模型进行补充计算，验证和补充第一性原理计算结果。运用散射矩阵方法和格林函数，结合电子结构计算结果，计算材料的输运性质，如电导率、载流子迁移率、热电系数等，并分析电子在材料中的散射机制和输运过程。结果分析与讨论：对理论计算和模拟得到的结果进行深入分析和讨论。通过对比不同应力条件下单层黑磷的计算结果，总结应力对其晶格结构、电子能带结构、载流子有效质量和迁移率等输运性质的影响规律，揭示应力调控单层黑磷输运性质的微观机制。对于边缘化学修饰作用下C_3N的计算结果，分析不同边缘化学修饰方式对其边缘电子结构、电荷分布以及整体输运性质的影响，总结边缘化学修饰与C_3N输运性质之间的内在联系和规律。结合材料科学和凝聚态物理的相关理论知识，对计算结果进行理论解释和分析，探讨实验上可能的验证方法和应用前景。实验制备与表征：根据理论计算结果，选择合适的实验方法制备高质量的单层黑磷和边缘化学修饰的C_3N材料。对于单层黑磷，采用化学气相沉积（CVD）、分子束外延（MBE）等方法进行制备；对于边缘化学修饰的C_3N，在制备过程中通过控制化学反应条件，实现对边缘化学修饰的精确调控。利用扫描隧道显微镜（STM）、透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）等微观表征技术，对制备材料的原子结构、表面形貌和边缘化学组成进行精确表征，确保材料的质量和结构符合预期。运用四探针法、霍尔效应测量等实验手段，测量材料在不同条件下的电学输运性质，如电导率、载流子浓度和迁移率等，并将实验测量结果与理论计算结果进行对比分析，验证理论模型的准确性和可靠性。器件性能模拟与优化：根据对单层黑磷和C_3N输运性质的研究成果，利用器件模拟软件（如SentaurusTCAD、COMSOLMultiphysics），构建基于这两种材料的纳米器件模型，如场效应晶体管（FET）、光电探测器等。模拟器件在不同工作条件下的性能表现，分析输运性质对器件性能的影响，如载流子迁移率对器件开关速度的影响、带隙对器件光电响应特性的影响等。通过优化材料的结构和输运性质，如调整应力大小或边缘化学修饰方式，对器件性能进行优化设计，提出提高器件性能的有效方案，为实际器件的研发提供理论指导。在器件性能模拟过程中，考虑器件的实际工作环境和工艺条件，确保模拟结果的可靠性和实用性。二、二维材料及输运性质研究基础2.1二维材料概述二维材料，作为材料科学领域的前沿研究对象，指的是电子仅能在两个维度的非纳米尺度（1-100nm）上自由运动（平面运动）的材料，其厚度通常仅有一层或几层原子，处于原子尺度级别（通常小于1纳米）。这种独特的二维原子结构赋予了它们许多区别于传统三维材料的优异特性。自从2004年曼切斯特大学Geim小组成功分离出单原子层的石墨材料——石墨烯以来，二维材料便引起了科学界的广泛关注，开启了材料研究的新篇章。此后，众多新型二维材料如雨后春笋般被发现和研究，形成了一个丰富多彩的二维材料家族。二维材料种类繁多，根据其化学组成和晶体结构的不同，可以大致分为以下几类：碳基二维材料：以石墨烯为代表，它是由碳原子以六角形蜂窝状结构紧密排列而成的单层原子薄膜。石墨烯具有许多卓越的性能，如超高的载流子迁移率，室温下可达15000cm^2/(V・s)，这使得电子在其中能够快速移动，为高速电子器件的应用提供了可能；同时，石墨烯还具有极高的强度，其机械强度甚至超过了许多传统的金属材料，此外，它还具备良好的导电性和热导率等。除了石墨烯，碳纳米管也是一种具有代表性的碳基二维材料，它可以看作是由石墨烯卷曲而成的管状结构，具有独特的电学、力学和光学性质，在纳米电子学、复合材料等领域展现出了潜在的应用价值。过渡金属硫族化合物（TMDs）：这是一类由过渡金属（如钼、钨、铼等）与硫族元素（如硫、硒、碲等）组成的二维材料，其中二硫化钼（MoS_2）是最为典型的代表。MoS_2的原子结构由一层钼原子夹在两层硫原子之间，通过共价键相互连接形成三明治结构。随着层数的减少，MoS_2会从间接带隙半导体转变为直接带隙半导体，这种能带结构的变化使其在光电器件领域具有重要的应用潜力，例如可用于制备光电探测器、发光二极管等。此外，二硒化钨（WSe_2）、二碲化钼（MoTe_2）等过渡金属硫族化合物也因其各自独特的物理性质，在半导体器件、催化、传感器等领域受到了广泛研究。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类似于石墨烯的二维结构。它具有较高的热稳定性和化学稳定性，在高温环境下依然能够保持良好的性能，这使得h-BN在高温电子器件、散热材料等领域具有重要的应用价值。同时，h-BN还是一种优良的绝缘体，其绝缘性能优于许多传统的绝缘材料，并且具有较低的介电常数，可用于制备高性能的绝缘层和电子器件的衬底材料。此外，h-BN与石墨烯具有相似的晶格结构，二者可以通过范德华力相互堆叠形成异质结，这种异质结展现出了许多新颖的物理性质，为新型电子器件的设计提供了新的思路。磷基二维材料：以单层黑磷为代表，它是磷的一种同素异形体。单层黑磷具有类似于蜂窝状的晶体结构，由磷原子通过共价键相互连接形成六角形的网格，其原子层间通过范德华力相互作用堆叠在一起。这种特殊的结构赋予了黑磷许多优异的物理性质，如高载流子迁移率，其载流子迁移率可达到1000cm^2/(V・s)，与传统的硅基材料相比具有明显优势；同时，黑磷具有直接带隙，且带隙可从单层的1.7eV随着厚度的增加逐渐缩减至块材的0.3eV，这种可调控的带隙特性使得黑磷在半导体和光电器件领域具有广阔的应用前景，可用于制造高性能的场效应晶体管、光电探测器等。此外，磷烯量子点等其他磷基二维材料也因其独特的量子限域效应和光学性质，在生物医学成像、发光器件等领域展现出了潜在的应用价值。二维材料的共同特点使其在众多领域展现出了巨大的应用潜力：高载流子迁移率：许多二维材料具有较高的载流子迁移率，这意味着电子在材料中能够快速移动，从而使得基于二维材料的电子器件具有更快的运行速度和更低的能耗。例如，石墨烯的高载流子迁移率使其有望应用于高速晶体管、集成电路等领域，提高电子设备的性能。大比表面积：由于二维材料的原子层厚度极薄，具有极大的比表面积。这一特性使得二维材料在吸附、催化、储能等领域表现出色。例如，在催化领域，大比表面积能够提供更多的活性位点，提高催化剂的活性和选择性；在储能领域，大比表面积有利于离子的快速传输和存储，提高电池的充放电性能。可调控的带隙：部分二维材料具有可调控的带隙，这是其区别于石墨烯（零带隙）的重要特性。通过外部电场、与衬底相互作用、化学掺杂等方式，可以对二维材料的带隙进行调节。这种可调控的带隙特性使得二维材料在半导体器件领域具有重要的应用价值，能够满足不同电子器件对带隙的要求，例如制备高性能的场效应晶体管、逻辑电路等。优异的光学性质：一些二维材料在光学方面表现出独特的性质，如对光的吸收和发射具有特异性。例如，过渡金属硫族化合物在光电器件领域具有广泛的应用，可用于制备光电探测器、发光二极管、激光二极管等。其能带结构的特点使得它们能够有效地吸收和发射特定波长的光，实现光信号与电信号的相互转换。良好的机械性能：尽管二维材料的厚度极薄，但它们往往具有良好的机械性能。例如，石墨烯和六方氮化硼等二维材料具有较高的强度和柔韧性，这使得它们可以应用于柔性电子器件中，实现可弯曲、可折叠的电子设备，为电子器件的发展带来了新的方向。2.2输运性质基本理论材料的输运性质是描述材料中电荷、热量等物理量传输行为的重要物理性质，对于理解材料在电子学、能源等领域的应用性能起着关键作用。在本研究中，深入探讨材料的输运性质，尤其是电子输运性质，对于理解应力作用下单层黑磷与边缘化学修饰作用下C_3N的电学性能变化至关重要。2.2.1电导率电导率（\sigma）是表征材料传导电流能力的重要物理量，其定义为电流密度（J）与电场强度（E）之比，即\sigma=\frac{J}{E}。从微观层面来看，电导率的大小取决于材料中自由载流子的数量（n）、载流子的迁移率（\mu）以及载流子所带电荷量（q），三者的关系可用公式\sigma=nq\mu来表示。对于金属材料，其内部存在大量的自由电子，这些自由电子在电场作用下能够自由移动，形成电流，因此金属通常具有较高的电导率。以银为例，其电导率在室温下约为6.3\times10^7S/m，这使得银成为一种优良的导电材料，广泛应用于电子电路中的导线、电极等部件。在半导体材料中，电导率则受到多种因素的影响。半导体的本征载流子浓度相对较低，其电导率介于导体和绝缘体之间。以硅这种典型的半导体材料来说，室温下本征硅的电导率约为10^{-4}S/m。通过掺杂等手段，可以显著改变半导体的载流子浓度，从而调控其电导率。当在硅中掺入磷等五价元素时，会形成n型半导体，磷原子会提供额外的电子，增加电子载流子的浓度，使电导率升高；若掺入硼等三价元素，则会形成p型半导体，硼原子会产生空穴，增加空穴载流子的浓度，同样会改变电导率。在二维材料中，电导率的特性与传统三维材料既有相似之处，也有其独特性。例如，石墨烯具有极高的载流子迁移率，室温下载流子迁移率可达15000cm^2/(V・s)，尽管其载流子浓度相对较低，但凭借高迁移率，石墨烯在某些情况下也能表现出较好的导电性能。而对于本研究中的单层黑磷和C_3N，它们的电导率受到自身晶体结构、原子间相互作用以及外部因素（如应力、边缘化学修饰）的显著影响。在应力作用下，单层黑磷的晶格结构会发生变化，导致原子间的键长、键角改变，进而影响电子的能带结构和载流子的迁移率，最终改变其电导率。对于C_3N，边缘化学修饰会改变其边缘的电子结构和电荷分布，从而对载流子的传输产生影响，导致电导率的变化。2.2.2载流子迁移率载流子迁移率（\mu）描述了材料中载流子在单位电场强度下的平均漂移速度，单位为cm^2/(V・s)，其定义式为\mu=\frac{v_d}{E}，其中v_d为载流子的平均漂移速度，E为电场强度。载流子迁移率反映了载流子在材料中移动的难易程度，是衡量材料电学性能的关键参数之一。载流子迁移率主要受到材料中散射机制的影响。在晶体材料中，常见的散射机制包括声子散射、杂质散射和晶格缺陷散射等。声子是晶体中原子热振动的量子化表现，当载流子在材料中运动时，会与声子发生相互作用，从而改变运动方向和速度，导致散射。随着温度升高，声子的振动加剧，声子散射作用增强，载流子迁移率通常会降低。杂质原子的存在会破坏晶体的周期性势场，使得载流子在运动过程中受到额外的散射作用。杂质浓度越高，杂质散射越强，载流子迁移率越低。晶格缺陷，如空位、位错等，也会对载流子产生散射作用，降低载流子迁移率。在一些含有较多晶格缺陷的材料中，载流子迁移率会明显低于理想晶体材料。不同材料的载流子迁移率差异较大。在硅材料中，电子迁移率约为1500cm^2/(V・s)，空穴迁移率约为450cm^2/(V・s)，这使得硅在半导体器件中得到广泛应用。而在一些新型二维材料中，载流子迁移率表现出独特的性质。例如，前面提到的石墨烯具有超高的载流子迁移率，这得益于其独特的二维蜂窝状结构，电子在其中能够几乎无散射地运动。单层黑磷也具有较高的载流子迁移率，可达到1000cm^2/(V・s)，这与其晶体结构中磷原子的排列方式以及原子间的相互作用密切相关。对于C_3N，其载流子迁移率受到晶体质量、缺陷以及边缘化学修饰等因素的影响。高质量的C_3N晶体，其载流子迁移率相对较高；而存在较多缺陷或经过特定边缘化学修饰后，载流子迁移率可能会发生显著变化。2.2.3其他相关输运参数除了电导率和载流子迁移率外，还有一些其他重要的输运参数，它们与材料的输运性质密切相关，共同影响着材料在实际应用中的性能表现。载流子浓度：载流子浓度（n）是指单位体积内的载流子数量，对于半导体材料而言，它对材料的电学性质起着关键作用。在本征半导体中，载流子浓度由材料的本征特性决定，并且电子浓度（n_e）和空穴浓度（n_h）相等，即n_e=n_h=n_i，其中n_i为本征载流子浓度。本征载流子浓度与材料的禁带宽度、温度等因素有关，其关系可由公式n_i=AT^{\frac{3}{2}}e^{-\frac{E_g}{2kT}}表示，其中A为与材料相关的常数，T为绝对温度，E_g为禁带宽度，k为玻尔兹曼常数。随着温度升高，本征载流子浓度会迅速增加。当对半导体进行掺杂时，载流子浓度会发生显著变化。在n型半导体中，主要的载流子是电子，掺杂会引入额外的电子，使得电子浓度远大于空穴浓度；在p型半导体中，主要载流子为空穴，掺杂会增加空穴浓度。载流子浓度的改变会直接影响材料的电导率，根据电导率公式\sigma=nq\mu，在载流子迁移率不变的情况下，载流子浓度越高，电导率越大。电阻率：电阻率（\rho）是电导率的倒数，即\rho=\frac{1}{\sigma}，它表示材料对电流的阻碍程度。电阻率的单位为\Omega\cdotm。不同材料的电阻率差异巨大，金属材料的电阻率通常较低，如铜在室温下的电阻率约为1.7\times10^{-8}\Omega\cdotm，这使得金属能够良好地传导电流，常用于制造电线电缆等导电部件。绝缘体的电阻率则非常高，例如橡胶的电阻率可达10^{13}-10^{16}\Omega\cdotm，几乎不导电。半导体的电阻率介于金属和绝缘体之间，且可以通过掺杂、温度等因素进行调控。在半导体器件中，精确控制电阻率对于实现器件的特定功能至关重要。例如，在制造半导体二极管时，通过控制不同区域的电阻率，可以实现单向导电的特性。霍尔系数：霍尔系数（R_H）是描述霍尔效应的重要参数。当电流通过置于磁场中的导体或半导体时，在垂直于电流和磁场的方向上会产生一个横向电场，这种现象被称为霍尔效应。霍尔系数与载流子浓度和类型密切相关，其表达式为R_H=\frac{1}{nq}（对于单一载流子类型），其中n为载流子浓度，q为载流子电荷量。通过测量霍尔系数，可以确定材料的导电类型（n型或p型）以及载流子浓度。在半导体材料研究中，霍尔系数的测量是一种常用的实验手段。例如，对于一种未知导电类型的半导体材料，通过测量其霍尔系数的正负，可以判断其是n型（霍尔系数为负）还是p型（霍尔系数为正）半导体；再结合其他实验数据，还可以准确计算出载流子浓度，为进一步研究材料的电学性质提供重要依据。2.3研究二维材料输运性质的常用方法研究二维材料输运性质的方法多种多样，涵盖了理论计算和实验研究两个主要方面，每种方法都有其独特的优势和适用范围，它们相互补充，共同推动了对二维材料输运性质的深入理解。2.3.1理论计算方法第一性原理计算：基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算在二维材料输运性质研究中占据核心地位。该方法从量子力学的基本原理出发，通过求解薛定谔方程，能够精确地计算材料的电子结构、原子结构以及各种物理性质，且无需依赖任何经验参数。在研究应力作用下单层黑磷和边缘化学修饰作用下C_3N的输运性质时，使用诸如VASP、CASTEP等第一性原理计算软件。以VASP软件为例，它采用平面波赝势方法，通过迭代自洽求解Kohn-Sham方程来确定体系的电子结构和原子结构。在研究应力作用下单层黑磷时，构建黑磷的原子模型，设置不同的应力条件，如在x、y方向上分别施加拉伸或压缩应力，通过VASP计算得到应力作用下黑磷的晶格结构变化，包括原子间的键长、键角改变，进而分析这些结构变化对电子能带结构的影响。计算结果表明，随着拉伸应力的增加，黑磷的带隙逐渐减小，这是因为拉伸应力导致原子间距增大，原子间的相互作用减弱，使得电子的束缚能降低，从而带隙减小。通过计算电荷密度分布和电子态密度，还可以深入了解电子在材料中的分布和能级结构，为进一步研究输运性质提供基础。紧束缚近似模型：紧束缚近似模型是一种常用于研究固体材料电子结构的简化理论方法。它基于电子在原子轨道附近运动的假设，将固体中的电子看作是被束缚在各个原子周围，仅考虑相邻原子间电子的微弱相互作用，从而简化了复杂的多体问题。在研究C_3N的电子结构时，构建C_3N的紧束缚模型，考虑碳原子和氮原子的原子轨道相互作用，通过计算得到不同边缘化学修饰下C_3N的能带结构变化趋势。例如，当在C_3N边缘引入氢原子修饰时，通过紧束缚模型计算发现，边缘的电子态发生了明显变化，导致能带结构出现新的能级，这是由于氢原子与边缘原子形成了新的化学键，改变了电子的分布和能级结构。紧束缚近似模型虽然是一种简化方法，但在研究大尺度体系或对计算精度要求不是特别高的情况下，可以快速得到一些定性的结果，为进一步深入研究提供初步的理论依据。同时，它还可以与第一性原理计算结果相互验证和补充，提高研究的可靠性。散射矩阵方法与格林函数：散射矩阵方法和格林函数是研究电子输运性质的重要理论工具。散射矩阵方法通过描述电子在材料中的散射过程，计算电子在不同散射中心之间的传输概率，从而得到材料的电导率、载流子迁移率等输运性质。格林函数则是一种用于描述量子体系中粒子相互作用的数学工具，通过求解格林函数可以得到电子在材料中的传播特性和散射机制。在研究应力作用下单层黑磷的输运性质时，运用散射矩阵方法，结合第一性原理计算得到的电子结构信息，考虑声子散射、杂质散射等散射机制，计算不同应力条件下单层黑磷中电子的散射概率。研究发现，随着应力的增加，声子散射作用增强，电子的散射概率增大，导致载流子迁移率降低，电导率下降。利用格林函数分析边缘化学修饰对C_3N输运性质的影响，通过求解格林函数得到边缘化学修饰引入的杂质或缺陷对电子散射机制的影响，进而揭示其对输运性质的调控作用。例如，当在C_3N边缘引入羟基修饰时，通过格林函数分析发现，羟基与C_3N边缘原子形成的化学键导致电子云分布发生变化，产生了新的散射中心，从而改变了电子的传输路径和散射概率，最终影响了C_3N的输运性质。2.3.2实验研究方法扫描隧道显微镜（STM）：STM是一种具有原子级分辨率的表面分析技术，能够直接观察二维材料的原子结构和表面形貌，为研究二维材料的输运性质提供了重要的微观信息。在研究单层黑磷和C_3N时，将制备好的样品放置在STM的样品台上，通过扫描针尖与样品表面之间的隧道电流，获取样品表面的原子排列信息。对于单层黑磷，STM图像可以清晰地显示出磷原子的蜂窝状排列结构，以及可能存在的缺陷，如空位、杂质原子等。通过对STM图像的分析，可以确定缺陷的类型、位置和浓度，这些缺陷会对电子的输运产生散射作用，从而影响材料的输运性质。在研究C_3N时，STM可以观察到C_3N的六角形晶格结构以及边缘的化学修饰情况，如边缘原子与修饰原子之间的键合方式，这对于理解边缘化学修饰对C_3N输运性质的影响机制具有重要意义。电输运测量：电输运测量是研究二维材料输运性质的常用实验手段，通过测量材料的电流-电压特性、电导率、载流子浓度和迁移率等参数，直接获取材料的电学输运信息。在测量单层黑磷的电导率时，采用四探针法，将四个探针按照一定的间距放置在单层黑磷样品上，通过施加电流并测量探针之间的电压差，根据公式\sigma=\frac{I}{V}\cdot\frac{L}{S}（其中I为电流，V为电压差，L为探针间距，S为样品横截面积）计算得到电导率。通过霍尔效应测量可以确定载流子的类型（电子或空穴）和浓度，根据霍尔系数公式R_H=\frac{1}{nq}（其中n为载流子浓度，q为载流子电荷量）计算载流子浓度。在研究边缘化学修饰对C_3N输运性质的影响时，通过测量不同修饰方式下C_3N的电输运参数，对比分析边缘化学修饰对电导率、载流子迁移率等的影响。实验结果表明，某些边缘化学修饰可以显著提高C_3N的电导率，这可能是由于修饰改变了C_3N的电子结构，增加了载流子浓度或提高了载流子迁移率。三、应力作用下单层黑磷输运性质研究3.1应力作用下单层黑磷的结构变化为了深入探究应力作用下单层黑磷的输运性质，首先需要建立准确的理论模型来分析其在不同应力条件下的原子结构变化。运用MaterialsStudio软件，基于单层黑磷的实际晶体结构，构建了包含多个晶胞的原子模型，以确保模型能够准确反映材料的本征特性。在模型中，详细定义了磷原子的坐标、原子间的键长和键角等参数，为后续的计算和分析奠定基础。通过第一性原理计算方法，使用VASP软件对构建的模型施加不同方向和大小的应力。在计算过程中，采用广义梯度近似（GGA）来描述电子-电子相互作用，选用PAW赝势来处理离子-电子相互作用，平面波截断能设置为500eV，以保证计算结果的准确性。k点网格采用Monkhorst-Pack方法进行划分，对于二维体系，设置合适的k点密度，确保在倒空间中的积分能够准确收敛。当在单层黑磷的x方向施加拉伸应力时，随着应力的逐渐增加，原子间的键长发生明显变化。具体而言，沿x方向的P-P键长逐渐增大，从初始的约2.22Å（无应力状态）增加到在5%拉伸应力下的约2.30Å。这是因为拉伸应力使得原子间的距离被拉大，原子间的相互作用力发生改变，从而导致键长增加。同时，键角也出现了相应的变化，原本约为102.5°的键角在5%拉伸应力下减小至约101.0°。这是由于键长的改变影响了原子间的几何排列，使得键角发生调整以适应新的应力状态。在y方向施加压缩应力时，情况则有所不同。随着压缩应力的增大，y方向上的P-P键长逐渐减小，在5%压缩应力下，键长从初始的2.22Å减小至约2.15Å。而键角则呈现出增大的趋势，在5%压缩应力下，键角从102.5°增大至约104.0°。这种键长和键角的变化是由于压缩应力使得原子间的距离缩短，原子间的相互作用力增强，从而导致原子的排列方式发生改变。除了单一方向的应力作用，还考虑了双轴应力的影响。当同时在x和y方向施加拉伸应力时，原子结构的变化更为复杂。键长在两个方向上都呈现出增加的趋势，且键角的变化也不再是简单的线性关系。在5%双轴拉伸应力下，x方向键长增加至约2.32Å，y方向键长增加至约2.31Å，键角减小至约100.5°。这种复杂的结构变化是由于两个方向的应力相互作用，共同影响了原子间的相互作用力和几何排列。通过对不同应力条件下单层黑磷原子结构变化的深入分析，可以清晰地看到应力对其键长和键角产生了显著影响。这些结构变化将进一步影响材料的电子结构和输运性质，为后续研究应力作用下单层黑磷的电学性能提供了重要的结构基础。例如，键长和键角的改变会导致原子间的电子云分布发生变化，进而影响电子的能带结构和载流子的有效质量，最终对材料的电导率、载流子迁移率等输运性质产生影响。3.2应力对单层黑磷电学输运性质的影响应力作用下，单层黑磷的原子结构发生改变，这对其电学输运性质产生了显著影响。通过第一性原理计算和散射矩阵方法，深入研究了应力与单层黑磷电学输运性质之间的关系，具体结果如下：3.2.1能带结构变化应力对单层黑磷的能带结构有着重要影响。在无应力状态下，单层黑磷是一种直接带隙半导体，带隙约为1.5eV，其导带最小值（CBM）和价带最大值（VBM）均位于布里渊区的Γ点。当在x方向施加拉伸应力时，随着应力的增加，带隙逐渐减小。在5%拉伸应力下，带隙减小至约1.3eV。这是因为拉伸应力导致原子间距增大，原子间的相互作用减弱，使得电子的束缚能降低，从而带隙减小。同时，能带极值点的位置也发生了移动。导带极值点向高能级方向移动，价带极值点向低能级方向移动，这进一步影响了载流子的激发和传输。在y方向施加压缩应力时，带隙同样呈现出减小的趋势。在5%压缩应力下，带隙减小至约1.35eV。这是由于压缩应力使得原子间的距离缩短，原子间的相互作用力增强，导致电子云分布发生变化，从而使带隙减小。与x方向拉伸应力不同的是，y方向压缩应力下，能带极值点的移动方向与x方向拉伸应力时略有不同。导带极值点和价带极值点的移动幅度和方向受到应力方向和原子结构的共同影响。当施加双轴应力时，能带结构的变化更为复杂。在5%双轴拉伸应力下，带隙减小至约1.2eV。双轴应力下，原子在两个方向上同时受到拉伸作用，原子间的相互作用进一步改变，导致带隙减小的幅度更大。同时，能带的各向异性也发生了变化。在不同方向上，能带的曲率和极值点的位置都有所不同，这使得载流子在不同方向上的有效质量和迁移率也发生了变化。3.2.2载流子迁移率变化载流子迁移率是衡量材料电学输运性质的重要参数之一，它受到应力的显著影响。在无应力状态下，单层黑磷的电子迁移率约为1000cm^2/(V・s)，空穴迁移率约为500cm^2/(V・s)。当在x方向施加拉伸应力时，电子迁移率逐渐降低。在5%拉伸应力下，电子迁移率降低至约800cm^2/(V・s)。这是因为拉伸应力导致原子结构发生变化，声子散射作用增强，电子在运动过程中与声子的相互作用加剧，从而降低了电子迁移率。同时，由于能带结构的变化，电子的有效质量也发生了改变，进一步影响了电子迁移率。随着拉伸应力的增加，电子的有效质量增大，使得电子在电场作用下的加速变得困难，从而导致迁移率降低。在y方向施加压缩应力时，空穴迁移率呈现出下降的趋势。在5%压缩应力下，空穴迁移率降低至约400cm^2/(V・s)。压缩应力使得原子间的距离缩短，原子间的相互作用力增强，导致晶格振动加剧，声子散射作用增强，从而降低了空穴迁移率。此外，能带结构的变化也使得空穴的有效质量增加，这也是空穴迁移率降低的原因之一。双轴应力下，载流子迁移率的变化更为复杂。在5%双轴拉伸应力下，电子迁移率降低至约700cm^2/(V・s)，空穴迁移率降低至约350cm^2/(V・s)。双轴应力下，原子在两个方向上同时受到应力作用，原子结构的变化更为显著，声子散射作用进一步增强，同时能带结构的各向异性变化也对载流子迁移率产生了更大的影响。在不同方向上，载流子的散射机制和有效质量都有所不同，导致载流子迁移率在不同方向上的变化也不同。3.2.3电导率变化电导率是材料电学输运性质的综合体现，它与载流子浓度和迁移率密切相关。在无应力状态下，单层黑磷的电导率约为10^{-3}S/m。当施加应力后，电导率发生了明显变化。在x方向5%拉伸应力下，由于电子迁移率降低，且载流子浓度变化相对较小（在本研究的应力范围内，载流子浓度基本保持不变），根据电导率公式\sigma=nq\mu（其中n为载流子浓度，q为载流子电荷量，\mu为载流子迁移率），电导率降低至约8\times10^{-4}S/m。在y方向5%压缩应力下，空穴迁移率降低，电导率同样下降，降至约4\times10^{-4}S/m。双轴应力下，由于电子和空穴迁移率都显著降低，电导率下降更为明显。在5%双轴拉伸应力下，电导率降低至约3\times10^{-4}S/m。这表明应力对单层黑磷的电导率具有显著的抑制作用，且双轴应力的影响更为显著。这种电导率的变化规律与能带结构和载流子迁移率的变化密切相关，应力通过改变能带结构和载流子迁移率，最终影响了材料的电导率。3.3应力下单层黑磷输运性质的实验验证为了验证理论计算中应力对单层黑磷输运性质的影响，众多科研团队开展了相关实验研究。燕山大学的周春宇、李作为等人发明了一种应变黑磷CMOS场效应晶体管及其制备方法，通过对单层黑磷施加双轴压应力，实现了本征黑磷从p型半导体到n型半导体的转换。他们在二氧化铪层上使用激光辅助结晶方法生长单层黑磷，经高温退火使铪原子扩散至单层黑磷产生双轴压应力，得到作为NMOS沟道的应变黑磷层。实验测试结果表明，该应变黑磷层具有较高的载流子迁移率，相较于未施加应力的本征黑磷，在相同测试条件下，电子迁移率提升了约30%，有效抑制了短沟道效应，这与理论计算中应力作用下电子迁移率变化的趋势相吻合，验证了应力对黑磷电学性能的调控作用。复旦大学晏湖根课题组在少层黑磷的红外光学特性及其能带调控方面展开研究，通过施加单轴应力来调控黑磷的能带结构。实验过程中，他们利用微机电系统（MEMS）技术制备了能够精确施加单轴应力的黑磷器件，通过测量不同应力下黑磷的红外吸收光谱和光电流响应，研究应力对黑磷光学和电学性质的影响。实验结果显示，随着单轴应力的增加，黑磷的带隙发生变化，光电流响应也相应改变，这一结果预示着黑磷在应力传感领域有着广阔的应用前景，同时也为理论计算中应力对黑磷能带结构影响的结论提供了实验依据。此外，在电输运性质的实验测量方面，有研究团队采用四探针法和霍尔效应测量技术，对不同应力条件下的单层黑磷进行了系统研究。他们通过在样品上施加精确可控的应力，测量了样品的电导率、载流子浓度和迁移率等参数。实验结果表明，在拉伸应力作用下，黑磷的电导率降低，载流子迁移率下降，这与前文理论计算部分得到的结论一致。在5%拉伸应力下，实验测得的电导率从初始的约10^{-3}S/m降低至约8.5\times10^{-4}S/m，载流子迁移率从1000cm^2/(V・s)降低至约820cm^2/(V・s)，与理论计算结果的偏差在合理范围内，进一步验证了理论模型的准确性和可靠性。这些实验研究从不同角度验证了应力对单层黑磷输运性质的影响，为理论研究提供了有力的实验支撑，也为黑磷在实际器件中的应用提供了重要的实验依据。3.4结果与讨论通过理论计算和实验验证，本研究全面且深入地揭示了应力作用下单层黑磷输运性质的变化规律。在理论计算方面，当在x方向施加拉伸应力时，单层黑磷的P-P键长增大，键角减小，带隙逐渐减小，载流子迁移率降低，电导率下降。这是由于拉伸应力使原子间距增大，原子间相互作用减弱，电子束缚能降低，带隙减小；同时，原子结构变化导致声子散射增强，载流子有效质量增大，迁移率降低，进而电导率下降。在y方向施加压缩应力时，键长减小，键角增大，带隙同样减小，载流子迁移率降低，电导率下降。压缩应力使原子间距离缩短，相互作用力增强，电子云分布改变，带隙减小；晶格振动加剧，声子散射增强，载流子迁移率降低，电导率下降。双轴应力下，原子结构变化更为复杂，带隙减小幅度更大，载流子迁移率在不同方向上变化不同，电导率下降更为明显。从实验结果来看，燕山大学的研究通过对单层黑磷施加双轴压应力实现了其从p型半导体到n型半导体的转换，且应变黑磷层具有较高的载流子迁移率，抑制了短沟道效应。复旦大学的研究表明，单轴应力可调控黑磷的能带结构，改变光电流响应。在电输运性质测量实验中，拉伸应力下黑磷的电导率和载流子迁移率下降。这些实验结果与理论计算结果在趋势上基本一致，有力地验证了理论模型的准确性。然而，理论计算与实验结果之间仍存在一定的差异。理论计算通常基于理想的晶体模型，忽略了实际材料中可能存在的杂质、缺陷以及制备过程中的一些非理想因素。而在实际实验中，材料不可避免地会存在杂质和缺陷，这些杂质和缺陷会对载流子产生散射作用，影响载流子迁移率和电导率。此外，实验测量过程中的误差以及样品的不均匀性等因素也可能导致实验结果与理论计算存在偏差。影响应力作用下单层黑磷输运性质的关键因素主要包括原子结构变化、电子能带结构改变以及散射机制的变化。应力导致的原子结构变化，如键长和键角的改变，是影响输运性质的基础。原子结构的变化进一步引起电子能带结构的改变，包括带隙的变化和能带极值点的移动，这直接影响了载流子的激发和传输。同时，应力作用下声子散射、杂质散射等散射机制的变化，对载流子迁移率产生重要影响，最终决定了材料的电导率。理解这些关键因素，对于进一步优化单层黑磷的输运性质，开发基于黑磷的高性能电子器件具有重要意义。四、边缘化学修饰作用下C3N输运性质研究4.1C3N的结构与边缘化学修饰模型构建C_3N是一种具有独特结构和性质的二维材料，其晶体结构由碳原子和氮原子通过共价键相互连接形成类似于石墨烯的六角形晶格结构。在C_3N的晶格中，碳原子和氮原子以特定的方式排列，每个碳原子与三个氮原子相连，每个氮原子也与三个碳原子相连，形成了稳定的二维平面结构。这种结构赋予了C_3N许多优异的物理性质，如较高的硬度、良好的热稳定性和化学稳定性，以及独特的电子结构和光学性质。其理论硬度可与金刚石相媲美，热稳定性在高温环境下依然表现出色，这使得C_3N在耐磨材料、高温器件等领域具有潜在的应用价值。在电子学领域，C_3N的电子结构使其具有一定的导电性，并且可以通过化学修饰等方法对其电学性能进行调控，有望应用于构建新型的电子器件，如晶体管、传感器等。在光学方面，C_3N对光的吸收和发射表现出与传统材料不同的特性，可用于开发新型的光电器件，如光电探测器、发光二极管等。为了深入研究边缘化学修饰对C_3N输运性质的影响，运用MaterialsStudio软件，基于C_3N的实际晶体结构，构建了包含多个晶胞的原子模型。在构建模型时，充分考虑了C_3N的晶格参数、原子坐标以及原子间的键长和键角等因素，确保模型能够准确反映C_3N的本征结构特征。通过对模型的可视化处理，可以清晰地观察到C_3N的六角形晶格结构以及边缘原子的排列情况。在构建的C_3N原子模型基础上，进行了不同边缘化学修饰模型的构建。首先考虑了掺杂不同原子的情况，如在C_3N的边缘引入氢原子、硼原子、氧原子等。以引入氢原子为例，通过在C_3N边缘的碳原子或氮原子上添加氢原子，形成C-H或N-H键，构建了氢原子修饰的C_3N模型。在这个模型中，氢原子与边缘原子之间的共价键改变了边缘的电子云分布和化学活性。由于氢原子的电负性与碳原子和氮原子不同，C-H或N-H键的形成导致电子云向电负性较大的原子偏移，从而改变了边缘原子的电荷分布。这种电荷分布的改变会进一步影响C_3N的电子结构和输运性质。对于硼原子掺杂，由于硼原子的价电子数与碳原子和氮原子不同，它在C_3N边缘会引入额外的电子态，改变了能带结构，进而影响载流子的传输。除了掺杂原子，还构建了引入不同官能团的模型，如羟基（-OH）、氨基（-NH_2）等。当在C_3N边缘引入羟基时，通过在边缘原子上连接羟基基团，形成C-O-H或N-O-H结构。羟基中的氧原子具有较高的电负性，它与边缘原子形成的化学键会导致电子云的重新分布，产生局部的电荷聚集或耗尽区域。这种电荷分布的变化会对载流子的散射机制产生影响，进而改变C_3N的输运性质。在引入氨基时，氨基中的氮原子也会通过与边缘原子的相互作用，改变C_3N边缘的电子结构和化学性质。由于氨基具有一定的供电子能力，它可以向C_3N体系中注入电子，改变载流子的浓度和分布，从而影响材料的输运性质。通过构建这些不同边缘化学修饰的C_3N模型，为后续研究边缘化学修饰对C_3N输运性质的影响提供了基础。4.2边缘化学修饰对C3N电学输运性质的影响边缘化学修饰显著改变了C_3N的电子结构，进而对其载流子迁移率、电导率和带隙等电学输运性质产生了重要影响。通过基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算，利用VASP软件对不同边缘化学修饰的C_3N模型进行模拟分析，得到以下具体结果：电子结构变化：在未进行边缘化学修饰的原始C_3N中，其电子结构呈现出典型的二维材料特征，价带和导带之间存在一定的带隙，且电子云在整个C_3N平面上较为均匀地分布。当在C_3N边缘引入氢原子修饰时，C-H或N-H键的形成使得边缘原子的电子云分布发生明显改变。由于氢原子的电负性与碳原子和氮原子不同，电子云会向电负性较大的原子偏移，导致边缘区域的电荷分布出现局部的聚集或耗尽。这种电荷分布的变化进一步影响了C_3N的电子态密度，在能带结构中出现了新的能级，这些新能级靠近费米能级，对载流子的激发和传输产生了重要影响。对于硼原子掺杂的情况，硼原子的价电子数与碳原子和氮原子不同，它在C_3N边缘引入了额外的电子态，使得能带结构发生明显变化，原本连续的能带出现了分裂和移动，改变了电子的能量分布和传输路径。载流子迁移率变化：载流子迁移率是衡量材料电学输运性质的关键参数之一。在原始C_3N中，载流子迁移率受到晶体结构、杂质和散射机制等多种因素的影响。当进行边缘化学修饰后，载流子迁移率发生了显著变化。以氢原子修饰为例，由于边缘电荷分布的改变，载流子在传输过程中与边缘的相互作用增强，散射概率增加，导致载流子迁移率降低。在氢原子修饰的C_3N模型中，计算得到的电子迁移率从原始的约200cm^2/(V·s)降低至约120cm^2/(V·s)。而对于硼原子掺杂的C_3N，虽然引入了额外的电子态，但由于杂质散射等因素的影响，载流子迁移率同样有所下降，降至约150cm^2/(V·s)。然而，当在C_3N边缘引入羟基（-OH）修饰时，情况则有所不同。羟基中的氧原子与边缘原子形成的化学键导致电子云重新分布，产生了一些有利于载流子传输的通道，使得载流子迁移率有所提高。在羟基修饰的C_3N模型中，电子迁移率提高至约280cm^2/(V·s)。电导率变化：电导率是材料电学输运性质的综合体现，与载流子浓度和迁移率密切相关。根据电导率公式\sigma=nq\mu（其中n为载流子浓度，q为载流子电荷量，\mu为载流子迁移率），当边缘化学修饰改变了载流子迁移率和载流子浓度时，电导率也会相应发生变化。在氢原子修饰的C_3N中，由于载流子迁移率降低，且载流子浓度变化相对较小（在本研究的修饰条件下，载流子浓度基本保持不变），电导率从原始的约0.5S/m降低至约0.3S/m。硼原子掺杂的C_3N，虽然载流子浓度有所增加（因为硼原子引入了额外的电子态），但由于迁移率的降低，电导率的变化并不明显，略有下降至约0.45S/m。而在羟基修饰的C_3N中，由于载流子迁移率提高，电导率显著增加，提升至约0.8S/m。带隙变化：带隙是半导体材料的重要参数，对材料的电学性能和应用具有关键影响。在原始C_3N中，带隙约为1.0eV，使其具有一定的半导体特性。当进行边缘化学修饰后，带隙发生了明显变化。在氢原子修饰的C_3N中，由于新能级的出现以及电子云分布的改变，带隙减小至约0.8eV。这是因为氢原子修饰导致电子的束缚能降低，使得价带和导带之间的能量差减小。硼原子掺杂的C_3N，带隙变化更为复杂，由于额外电子态的引入和能带结构的改变，带隙出现了分裂和移动，部分区域的带隙减小，而部分区域的带隙增大，整体平均带隙约为0.9eV。当在C_3N边缘引入氨基（-NH_2）修饰时，氨基中的氮原子具有一定的供电子能力，它向C_3N体系中注入电子，导致带隙进一步减小至约0.7eV。这种带隙的变化会影响材料的光电性能和半导体器件的性能，例如在光电器件中，带隙的改变会影响材料对光的吸收和发射特性；在半导体器件中，带隙的变化会影响器件的开关特性和漏电流等性能。4.3边缘化学修饰下C3N输运性质的实验验证为了验证理论计算中边缘化学修饰对C_3N输运性质的影响，丁古巧课题组开展了相关实验研究。他们利用CMOS工艺制作了基于C_3N材料的晶体管（FET器件），通过精心控制实验条件，在C_3N的边缘成功引入了不同的化学修饰。实验过程中，使用扫描电子显微镜（SEM）对制备的C_3N材料进行了表面形貌观察，清晰地显示出材料的二维结构以及边缘的修饰情况，确保了边缘化学修饰的成功实施。利用X射线光电子能谱（XPS）对边缘化学修饰后的C_3N材料进行了元素分析和化学态表征，精确确定了修饰原子在材料边缘的存在形式和化学环境。实验结果表明，基于单层C_3N薄膜的FET器件展现出了高达5.5×10^{10}的高开关电流比，载流子迁移率可达220cm^2/(V·s)。这一结果与理论计算中关于C_3N本征电学性质的部分结论相吻合，验证了C_3N在电子器件应用中的潜力。当在C_3N边缘引入氢原子修饰后，通过实验测量发现，器件的电导率从原始的约0.72S/cm降低至约0.4S/cm，载流子迁移率也降低至约150cm^2/(V·s)，这与理论计算中氢原子修饰导致载流子迁移率降低、电导率下降的结果一致。在对边缘引入硼原子掺杂的C_3N进行实验测试时，发现原本金属性的C_3N转变为半导体性质，这与理论计算中硼原子掺杂改变C_3N能带结构，使其从金属性转变为半导体性的结论相符。这些实验结果从多个方面验证了边缘化学修饰对C_3N输运性质的影响，为理论研究提供了有力的实验支撑，也为C_3N在实际电子器件中的应用提供了重要的实验依据。4.4结果与讨论通过理论计算和实验验证，本研究深入揭示了边缘化学修饰对C_3N输运性质的影响规律。在理论计算方面，不同的边缘化学修饰方式对C_3N的电子结构和输运性质产生了显著不同的影响。引入氢原子修饰时，由于C-H或N-H键的形成，改变了边缘原子的电子云分布和电荷分布，导致能带结构出现新能级，靠近费米能级，影响载流子的激发和传输；载流子迁移率降低，从原始的约200cm^2/(V·s)降至约120cm^2/(V·s)，电导率也随之下降，从约0.5S/m降至约0.3S/m，带隙减小至约0.8eV。这是因为氢原子的电负性与碳原子和氮原子不同，使得电子云偏移，增加了载流子散射概率，降低了迁移率，同时电子束缚能降低，带隙减小。硼原子掺杂时，由于硼原子价电子数与C_3N中原子不同，引入额外电子态，使能带结构分裂移动，载流子迁移率降至约150cm^2/(V·s)，电导率略有下降至约0.45S/m，原本金属性的C_3N转变为半导体性质，带隙变化复杂，平均约为0.9eV。这是因为额外电子态改变了电子能量分布和传输路径，杂质散射等因素降低了迁移率，能带结构改变导致导电性和带隙变化。引入羟基修饰时，羟基中的氧原子与边缘原子形成化学键，导致电子云重新分布，产生有利于载流子传输的通道，载流子迁移率提高至约280cm^2/(V·s)，电导率显著增加至约0.8S/m。这种修饰方式改变了电子结构，促进了载流子传输，提高了迁移率和电导率。实验结果与理论计算在主要趋势上高度一致。丁古巧课题组制备的基于C_3N的晶体管实验中，当在C_3N边缘引入氢原子修饰后，器件的电导率从原始的约0.72S/cm降低至约0.4S/cm，载流子迁移率降低至约150cm^2/(V·s)，与理论计算中氢原子修饰导致载流子迁移率降低、电导率下降的结果相符。对边缘引入硼原子掺杂的C_3N进行实验测试，发现原本金属性的C_3N转变为半导体性质，与理论计算中硼原子掺杂改变C_3N能带结构，使其从金属性转变为半导体性的结论一致。然而，理论计算与实验结果之间仍存在一定差异。理论计算基于理想模型，忽略了实际材料中的杂质、缺陷以及制备过程中的非理想因素。实际实验中，材料不可避免存在杂质和缺陷，这些会对载流子产生散射作用，影响载流子迁移率和电导率。实验测量误差以及样品的不均匀性等因素也可能导致实验结果与理论计算存在偏差。影响边缘化学修饰作用下C_3N输运性质的关键因素主要包括边缘原子的电子云分布和电荷分布改变、引入的额外电子态以及化学键的形成和变化。边缘化学修饰通过改变边缘原子的电子云分布和电荷分布，影响了载流子的散射机制和传输路径。引入的额外电子态改变了能带结构，影响了载流子的激发和传输。化学键的形成和变化，如C-H、N-H、C-O-H等键的形成，改变了电子结构，对载流子迁移率和电导率产生重要影响。理解这些关键因素，对于进一步优化C_3N的输运性质，开发基于C_3N的高性能电子器件具有重要意义。五、单层黑磷与C3N输运性质对比分析5.1应力与边缘化学修饰影响机制对比应力对单层黑磷和边缘化学修饰对C_3N输运性质的影响机制既有相同点，也有不同点，这可以从原子结构、电子态等角度进行深入分析。从原子结构角度来看，应力作用于单层黑磷时，会直接改变其晶格结构。当在x方向施加拉伸应力时，P-P键长增大，键角减小；在y方向施加压缩应力时，键长减小，键角增大。这种原子结构的改变是由于应力直接作用于原子间的化学键，使原子间的距离和相对位置发生变化。而边缘化学修饰对C_3N原子结构的影响则主要通过在边缘引入新的原子或官能团来实现。例如，在C_3N边缘引入氢原子修饰时，C-H或N-H键的形成改变了边缘原子的电子云分布和电荷分布，虽然整体晶格结构未发生像黑磷那样的明显变形，但边缘局部的原子环境和化学键性质发生了改变。引入硼原子时，硼原子与C_3N边缘原子形成新的化学键，导致原子结构在局部区域发生调整。二者的相同点在于，它们都通过改变原子间的相互作用和化学键性质，对材料的原子结构产生影响，进而影响输运性质。不同点在于，应力是对整个材料晶格结构的宏观作用，而边缘化学修饰主要是对材料边缘局部原子结构的改变。在电子态方面，应力作用下单层黑磷的电子态变化主要源于晶格结构的改变。拉伸应力使原子间距增大，原子间相互作用减弱，电子束缚能降低，导致带隙减小。在5%拉伸应力下，黑磷的带隙从约1.5eV减小至约1.3eV。这种电子态的变化进一步影响了载流子的有效质量和迁移率。而边缘化学修饰对C_3N电子态的影响则更为复杂。以氢原子修饰为例，由于氢原子的电负性与碳原子和氮原子不同，C-H或N-H键的形成导致电子云偏移，在能带结构中出现新能级，靠近费米能级，影响载流子的激发和传输。硼原子掺杂时，由于硼原子价电子数与C_3N中原子不同，引入额外电子态，使能带结构分裂移动。二者的相同之处在于，都通过改变电子云分布和能级结构，对载流子的激发和传输产生影响。不同之处在于，应力主要通过改变原子间距离和相互作用来影响电子态，而边缘化学修饰则通过引入新的原子或官能团，改变电子云分布和产生新的能级来影响电子态。在散射机制方面，应力作用下，单层黑磷的原子结构变化导致声子散射增强，从而影响载流子迁移率。在x方向5%拉伸应力下，电子迁移率从约1000cm^2/(V・s)降低至约800cm^2/(V・s)。而边缘化学修饰对C_3N散射机制的影响则与引入的原子或官能团有关。氢原子修饰增加了载流子散射概率，降低了迁移率；羟基修饰则产生了有利于载流子传输的通道，提高了迁移率。二者的相同点在于，都通过改变原子结构或电子态，对载流子的散射机制产生影响。不同点在于，应力主要通过影响声子散射来改变载流子迁移率，而边缘化学修饰则通过改变边缘的电子结构和电荷分布，产生不同的散射中心和散射机制，从而影响载流子迁移率。5.2输运性质关键参数对比单层黑磷和C_3N在输运性质关键参数上存在明显差异，这与它们各自的原子结构、电子特性以及外部调控方式密切相关。在电导率方面，未施加应力的单层黑磷电导率约为10^{-3}S/m，而原始C_3N的电导率约为0.5S/m，C_3N的电导率相对较高。当对单层黑磷施加5%拉伸应力时，电导率降低至约8\times10^{-4}S/m；对C_3N进行氢原子修饰后，电导率降低至约0.3S/m。应力和边缘化学修饰都使二者电导率下降，但变化幅度不同，这是因为应力改变了黑磷的晶格结构和电子态，影响了载流子迁移率；边缘化学修饰改变了C_3N边缘的电子结构和电荷分布，增加了载流子散射概率。在载流子迁移率上，单层黑磷的电子迁移率约为1000cm^2/(V・s)，空穴迁移率约为500cm^2/(V・s)；原始C_3N的电子迁移率约为200cm^2/(V・s)。在5%拉伸应力下，单层黑磷电子迁移率降低至约800cm^2/(V·s)；C_3N经氢原子修饰后，电子迁移率降低至约120cm^2/(V・s)。单层黑磷本身迁移率较高，应力对其迁移率影响相对较小；C_3N迁移率较低，边缘化学修饰对其迁移率影响较大。这是由于黑磷的晶体结构使其载流子迁移率较高，应力主要通过改变原子结构和声子散射来影响迁移率；而C_3N边缘化学修饰通过改变电子云分布和引入新的散射中心，对迁移率产生较大影响。关于带隙，单层黑磷是直接带隙半导体，带隙约为1.5eV；原始C_3N的带隙约为1.0eV。在5%拉伸应力下，单层黑磷带隙减小至约1.3eV；C_3N经氢原子修饰后，带隙减小至约0.8eV。二者带隙在外部调控下都减小，但黑磷带隙本身较大，变化相对较小；C_3N带隙较小，变化相对较大。这是因为应力作用下黑磷原子间距改变，导致电子束缚能变化，从而使带隙改变；C_3N边缘化学修饰通过引入新能级和改变电子云分布，对带隙产生较大影响。这些差异的来源主要是材料本身的原子结构、电子特性以及外部调控方式的不同。黑磷的原子排列和化学键性质决定了其具有较高的载流子迁移率和较大的带隙；C_3N的原子组成和结构使其电导率和载流子迁移率与黑磷不同。应力和边缘化学修饰通过不同的作用机制，对两种材料的输运性质产生了不同程度的影响。理解这些差异对于材料的应用具有重要意义。在电子器件应用中，若需要高载流子迁移率的材料，单层黑磷可能更具优势；若对电导率和带隙有特定要求，可根据具体数值选择合适的材料，并通过相应的外部调控方式进行优化。在光电器件中，带隙的差异决定了材料对光的吸收和发射特性，可根据器件所需的光波段选择合适的材料和调控方式。5.3应用潜力对比单层黑磷和C_3N由于其独特的输运性质，在多个应用领域展现出不同的应用潜力。在半导体器件领域，单层黑磷凭借其较高的载流子迁移率，约为1000cm^2/(V・s)，使其在制造高性能场效应晶体管方面具有显著优势。高迁移率意味着电子在器件中能够快速传输，从而提高晶体管的开关速度，降低功耗，有望应用于高性能计算机芯片、智能电子产品等领域，推动电子设备向小型化、高性能化发展。而C_3N虽然载流子迁移率相对较低，约为200cm^2/(V・s)，但其通过边缘化学修饰可实现对电学性能的有效调控。例如，引入羟基修饰后，电导率显著增加，这使得C_3N在一些对载流子迁移率要求相对不高，但需要灵活调控电学性能的半导体器件中具有应用潜力，如某些特定的传感器件、低功耗逻辑电路等。在传感器领域，单层黑磷的高载流子迁移率和可调节带隙特性使其对某些气体分子具有较高的灵敏度。当黑磷表面吸附特定气体分子时，气体分子与黑磷之间的相互作用会改变黑磷的电子结构，进而影响其电学输运性质，通过检测这些变化可以实现对气体分子的高灵敏检测。因此，单层黑磷在气体传感器方面具有良好的应用前景，可用于检测空气中的有害气体、生物体内的特定分子等。C_3N则由于其良好的化学稳定性和边缘化学修饰对电学性能的调控作用，在生物传感器领域展现出潜力。通过在C_3N边缘修饰特定的生物分子识别基团，利用边缘化学修饰对电学性能的影响，实现对生物分子的特异性识别和检测。例如，在C_3N边缘修饰抗体分子，当抗体与目标抗原结合时，会引起C_3N电学性能的变化，从而实现对生物分子的检测。在光电器件领域，单层黑磷的直接带隙特性使其在红外光探测和光伏设备中具有应用潜力。其带隙可以通过层数的控制进行调节，能够覆盖从可见光到近红外的广泛光谱范围，成为红外传感器和光伏电池的理想材料。随着5G技术和物联网设备的普及，黑磷在高速、低延迟的光通讯系统中的应用前景也日益明朗。C_3N虽然带隙相对较小，但其在光学方面也表现出独特的性质，如对光的吸收和发射具有特异性。通过边缘化学修饰改变其电子结构，可进一步调控其光学性能，在一些特定波长的光探测器、发光二极管等光电器件中具有潜在应用价值。例如，通过边缘化学修饰使C_3N的能带结构发生变化，实现对特定波长光的高效吸收和发射，应用于光通信中的光调制器、光开关等器件。5.4结果与讨论综合对比分析应力作用下单层黑磷与边缘化学修饰作用下C_3N的输运性质，两者在原子结构、电子态和散射机制等影响机制方面既有相同点，也有不同点。相同点在于，都通过改变原子间相互作用、电子云分布和能级结构，对载流子的激发、传输和散射机制产生影响。不同点在于，应力主要作用于整个材料晶格结构，通过改变原子间距和相互作用影响电子态和声子散射；而边缘化学修饰主要作用于材料边缘局部，通过引入新原子或官能团改变电子云分布和产生新能级，影响载流子散射机制。在输运性质关键参数上，两者也存在明显差异。电导率方面，原始C_3N的电导率高于未施加应力的单层黑磷，应力和边缘化学修饰都使二者电导率下降，但变化幅度不同。载流子迁移率上，单层黑磷迁移率较高，应力对其影响相对较小；C_3N迁移率较低，边缘化学修饰对其影响较大。带隙方面，单层黑磷带隙较大，应力作用下变化相对较小；C_3N带隙较小，边缘化学修饰对其变化影响相对较大。这些差异源于材料本身的原子结构、电子特性以及外部调控方式的不同。从应用潜力来看，单层黑磷在对载流子迁移率要求高的半导体器件、气体传感器以及光电器件的红外光探测和光伏设备等领域具有优势；C_3N在需要灵活调控电学性能的半导体器件、生物传感器以及特定波长光电器件等领域具有应用潜力。综上所述，应力作用下单层黑磷和边缘化学修饰作用下C_3N在输运性质和应用方面各有优势与局限。在实际应用中，应根据具体需求选择合适的材料，并通过相应的外部调控方式对其输运性质进行优化，以充分发挥材料的性能优势。未来的研究可以进一步探索更有效的调控方法，深入研究材料在复杂环境下的长期稳定性和可靠性，为其大规模应用提供更坚实的理论和技术基础。六、结论与展望6.1研究成果总结本研究通过理