一种过渡金属原子掺杂的二维氮化镓复合模型及改性方法

本发明属于半导体纳米材料，具体涉及一种过渡金属原子掺杂的二维氮化镓复合模型及改性方法。

背景技术：

1、二维材料具备独特的电子受限效应，拥有更小的介电常数、更大的禁带宽度以及更高的载流子迁移率，二维材料由于缺失了一个维度，更加有利于电子的传递和传输，因此可以提升电子器件的性能，因此备受凝聚态物理和光电器件等相关领域的青睐。此外，它们在设计低功耗集成电路、柔性光电器件和低噪声光传感器方面具有显着优势。二维材料在传统的合成与设计方面遇到了一些难题：第一，难以制备厚度小、尺寸大的高质量二维材料；第二，缺乏合理的手段合成取向可控、化学组分分布均匀的二维材料；最后，为达成特定的功能，需要对二维材料进行改性。

2、氮化镓(gan)作为一种新的二维纳米材料，相较于其他二维材料，二维氮化镓材料具有机械稳定性、耐高频、耐高压、有利于广泛应用等特点，因此能够广泛运用于半导体电子器件、生物传感器等领域，受到了研究者们的青睐。ga位置相比于n位置来说，更有利于实现gan的p型掺杂，但是掺杂氮化镓体系动力学稳定性差，且现有的掺杂方法成本高，时间长。

技术实现思路

1、针对现有制备技术的缺陷和不足，本发明提供了一种过渡金属原子掺杂的二维氮化镓复合模型及改性方法，以解决现有技术中存在的二维氮化镓中金属原子的掺杂位置不准确以及由此导致的二维氮化镓动力学稳定性差的问题。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案予以实现：

3、一种过渡金属原子掺杂的二维氮化镓复合模型，所述复合模型采用以下步骤构建：

4、步骤1、使用基于密度泛函理论第一性原理的量子力学模拟软件建立本征氮化镓晶胞；

5、步骤2、采用bfgs算法对建立的本征氮化镓晶胞进行几何优化，得到原子总内能最低的二维氮化镓超胞；

6、步骤3、以过渡金属原子替换二维氮化镓超胞中的镓原子，得到过渡金属原子掺杂的二维氮化镓超胞，所述的过渡金属原子掺杂的二维氮化镓超胞中，过渡金属原子的个数为总原子个数的6.75％；

7、步骤4、对得到的过渡金属原子掺杂的二维氮化镓超胞进行几何优化，得到优化后的过渡金属原子掺杂的二维氮化镓超胞。

8、本发明还有以下技术特征：

9、具体的，步骤2和步骤4中所述的几何优化均基于能量最低原则，且几何优化的参数均包括：平面波截断能ecut为500ev、布里渊区积分k点取样值为2×2×1；

10、所述的bfgs算法的收敛条件包括：单原子能量的收敛标准为1.0×10－5ev·atom－1，原子间相互作用力收敛标准为0.3ev·nm－1，应力收敛标准为0.05gpa，原子的最大位移收敛标准为0.0001nm。

11、更进一步的，所述的基于密度泛函理论的第一性原理计算的量子力学模拟软件包括vasp、materials studio。

12、更进一步的，所述的过渡金属原子包括铬原子、锰原子、铁原子中的至少一种。

13、更进一步的，所述二维氮化镓超胞沿c轴方向上的真空层厚度为

14、更进一步的，所述复合模型具体采用以下步骤构建：

15、步骤1、使用基于密度泛函理论第一性原理的量子力学模拟软件建立本征氮化镓晶胞；

16、步骤2、采用bfgs算法对建立的本征氮化镓晶胞进行几何优化，得到原子总内能最低的二维氮化镓超胞；

17、步骤3、以cr原子替换二维氮化镓超胞中的镓原子，得到cr原子掺杂的二维氮化镓超胞，所述的cr原子掺杂的二维氮化镓超胞中，cr原子的个数为总原子个数的6.75％；

18、步骤4、对得到的cr原子掺杂的二维氮化镓超胞进行几何优化，得到优化后的cr原子掺杂的二维氮化镓超胞。

19、步骤2和步骤4中所述的几何优化均基于能量最低原则，且几何优化的参数均包括：平面波截断能ecut为500ev、布里渊区积分k点取样值为2×2×1；

20、所述的bfgs算法的收敛条件包括：单原子能量的收敛标准为1.0×10－5ev·atom－1，原子间相互作用力收敛标准为0.3ev·nm－1，应力收敛标准为0.05gpa，原子的最大位移收敛标准为0.0001nm；

21、所述二维氮化镓超胞沿c轴方向上的真空层厚度为

22、本发明还保护一种二维氮化镓改性方法，利用上述过渡金属原子掺杂的二维氮化镓复合模型对二维氮化镓进行改性。

23、相比于现有技术，本发明的有益效果如下：

24、(1)本发明方法以二维氮化镓超胞为基础，采用过渡金属元素对二维氮化镓超胞进行替位式掺杂，采用基于第一性原理的计算方法，操作简单、准确性高、应用广泛且重复性好。

25、(2)本发明方法对过渡金属原子掺杂的二维氮化镓超胞的结合能、差分电荷密度、电荷密度等参数做了分析，实现了对二维氮化镓改性的定性分析和定量分析。

26、(3)采用本发明方法得到的过渡金属原子掺杂的二维氮化镓超胞，gan:cr和gan:fe表现出半金属的特性，并且在可见光区和紫外区有较强的光吸收系数在热力学与动力学方面具备稳定性，能够应用于激光器、光纤、太阳能电池和纳米级高自旋电子器件；gan:mn表现出金属特性，能够用于制作电极材料、探测器以及发光二极管的应用。

技术特征：

1.一种过渡金属原子掺杂的二维氮化镓复合模型，其特征在于，所述复合模型采用以下步骤构建：

2.如权利要求1所述的过渡金属原子掺杂的二维氮化镓复合模型，其特征在于，步骤2和步骤4中所述的几何优化均基于能量最低原则，且几何优化的参数均包括：平面波截断能ecut为500ev、布里渊区积分k点取样值为2×2×1；

3.如权利要求1所述的过渡金属原子掺杂的二维氮化镓复合模型，其特征在于，所述的基于密度泛函理论的第一性原理计算的量子力学模拟软件包括vasp、materials studio。

4.如权利要求1所述的过渡金属原子掺杂的二维氮化镓复合模型，其特征在于，所述的过渡金属原子包括铬原子、锰原子、铁原子中的至少一种。

5.如权利要求1所述的过渡金属原子掺杂的二维氮化镓复合模型，其特征在于，所述二维氮化镓超胞沿c轴方向上的真空层厚度为

6.如权利要求3所述的过渡金属原子掺杂的二维氮化镓复合模型，其特征在于，所述复合模型具体采用以下步骤构建：

7.一种二维氮化镓改性方法，其特征在于，利用权利要求1至权利要求6中任意一项所述的过渡金属原子掺杂的二维氮化镓复合模型对二维氮化镓进行改性。

技术总结
一种过渡金属原子掺杂的二维氮化镓复合模型及改性方法，采用以下步骤构建：步骤1、建立本征氮化镓晶胞；步骤2、得到原子总内能最低的二维氮化镓超胞；步骤3、以过渡金属原子替换二维氮化镓超胞中的镓原子，得到过渡金属原子掺杂的二维氮化镓超胞；步骤4、对得到的过渡金属原子掺杂的二维氮化镓超胞进行几何优化，得到优化后的过渡金属原子掺杂的二维氮化镓超胞。相比于本征二维氮化镓的体系，过渡金属原子掺杂后的体系在可见光区域其光吸收有明显的改善，且具有实验合成前景，本发明的改性方法采用基于第一性原理的计算方法，操作简单、准确性高、应用广泛且重复性好，实现了对二维氮化镓改性的定性分析和定量分析。

技术研发人员：王雪文,高洁,张圆梦,姚林伟,江绍祥,贠江妮,张涵,赵武,翟春雪,马晓龙,齐晓斐
受保护的技术使用者：西北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13