α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)：理論與應(yīng)用的深度探索一、引言1.1研究背景與意義在材料科學(xué)的前沿領(lǐng)域中，二維材料以其獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理性質(zhì)，成為了近二十年來最活躍、發(fā)展最迅速的研究熱點(diǎn)之一。自2004年曼徹斯特大學(xué)的AndreGeim研究組通過機(jī)械剝離法成功制備出原子級厚度的少層石墨烯以來，二維材料的研究便開啟了全新的篇章，AndreGeim和KonstantinNovoselov也因這一開創(chuàng)性成果榮獲2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。石墨烯具有高載流子遷移率，其載流子濃度可通過門電壓進(jìn)行調(diào)控，還展現(xiàn)出半整數(shù)霍爾效應(yīng)等新奇量子效應(yīng)，這些特性皆源于其可類比于相對論狄拉克費(fèi)米子的線性狄拉克錐狀能帶結(jié)構(gòu)，也使得它在高速電子、光電器件和柔性可穿戴器件等方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。隨著研究的不斷深入，越來越多類型的二維材料被成功制備，如具有半導(dǎo)體特性且能隙緊密依賴于層厚的黑磷、擁有高達(dá)5.2eV帶隙的六方氮化硼，以及具有三角晶格或六方晶格等多種結(jié)構(gòu)的過渡金屬二硫族化合物等。這些二維材料不僅晶體結(jié)構(gòu)豐富多樣，物理特性也十分廣泛，涵蓋了從金屬到絕緣體的不同電學(xué)和光電特性，其不同的帶隙幾乎覆蓋了全波段能量，從深紫外波段到可見光波段，再到紅外波段，為光電器件應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。二維材料的獨(dú)特之處不僅在于其自身性質(zhì)，還在于它們能夠通過范德瓦耳斯力相互堆疊，形成二維材料異質(zhì)結(jié)。這種異質(zhì)結(jié)為材料性質(zhì)和能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)控提供了全新的自由度，極大地拓展了二維材料的科學(xué)研究和應(yīng)用前景。科學(xué)家們通過將不同的二維材料堆垛，或者把相同的二維材料堆垛并扭轉(zhuǎn)，能夠創(chuàng)造出單個(gè)二維材料所不具備的新奇物性。例如，在轉(zhuǎn)角1.08°的魔角石墨烯中，通過界面耦合作用引入了單層石墨烯所不具有的超導(dǎo)電性、關(guān)聯(lián)電子態(tài)等新奇物理效應(yīng)。α-tellurene作為二維材料家族中的重要成員，具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和電子特性，引起了科研人員的廣泛關(guān)注。它是一種由碲原子組成的具有正交晶系結(jié)構(gòu)的二維材料，原子間通過共價(jià)鍵相互連接形成類似于褶皺狀的平面結(jié)構(gòu)。這種特殊的結(jié)構(gòu)賦予了α-tellurene許多優(yōu)異的物理性質(zhì)，如較高的載流子遷移率、可調(diào)節(jié)的帶隙以及良好的光學(xué)性質(zhì)等。與其他常見二維材料相比，α-tellurene的帶隙表現(xiàn)出一定的特殊性，既不同于石墨烯的零帶隙特性，也與過渡金屬硫化物等材料的帶隙特征有所區(qū)別，這使得它在半導(dǎo)體器件、光電器件以及傳感器等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用潛力?；讦?tellurene構(gòu)建的二維異質(zhì)結(jié)，結(jié)合了α-tellurene與其他二維材料的各自優(yōu)勢，通過界面處的相互作用，能夠?qū)崿F(xiàn)更多新穎的物理性質(zhì)和功能。研究α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)，對于深入理解二維材料異質(zhì)結(jié)的物理機(jī)制具有重要的理論意義。通過精確調(diào)控異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步拓展二維材料在高速電子器件、高效光電器件、高性能傳感器以及量子計(jì)算等領(lǐng)域的應(yīng)用，為實(shí)現(xiàn)下一代高性能電子器件的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，對推動(dòng)材料科學(xué)和信息技術(shù)的進(jìn)步具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2二維材料概述二維材料，全稱為二維原子晶體材料，是指電子僅能在兩個(gè)維度的納米尺度（1-100nm）上自由運(yùn)動(dòng)（平面運(yùn)動(dòng)）的材料。這種特殊的維度限制賦予了二維材料一系列區(qū)別于傳統(tǒng)三維材料的獨(dú)特性質(zhì)，使其在材料科學(xué)領(lǐng)域中占據(jù)了重要地位。自2004年石墨烯被成功制備以來，二維材料的研究取得了飛速發(fā)展，逐漸形成了一個(gè)龐大且多樣化的材料體系。石墨烯作為二維材料的典型代表，是一種由碳原子以六邊形排列形成的二維蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)。它的厚度僅為一個(gè)碳原子的大小，這種原子級別的厚度賦予了石墨烯許多優(yōu)異的性能。其具有極高的載流子遷移率，在室溫下可達(dá)15000cm^2/(V·s)，這使得石墨烯在高速電子器件應(yīng)用中具有巨大潛力；同時(shí)，石墨烯還擁有良好的熱導(dǎo)率，高達(dá)5000W/(m·K)，以及出色的機(jī)械強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度可達(dá)130GPa，是鋼鐵的200倍。此外，石墨烯還展現(xiàn)出半整數(shù)霍爾效應(yīng)等新奇量子效應(yīng)，其電場調(diào)控特性和線性狄拉克錐狀能帶結(jié)構(gòu)，為其在高速電子、光電器件和柔性可穿戴器件等方面的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。過渡金屬二硫?qū)倩衔铮═MDs）也是一類重要的二維材料，如MoS_2、WS_2等。它們具有典型的層狀結(jié)構(gòu)，由過渡金屬原子被上下兩層的硫族原子“夾”住，通過范德華力相互堆疊形成二維材料。TMDs材料具有良好的光電性能和可調(diào)的帶隙，例如單層MoS_2具有直接帶隙，約為1.8eV，而多層MoS_2則為間接帶隙。這種帶隙特性使得TMDs在光電子器件、能源轉(zhuǎn)換設(shè)備等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值，如可用于制造光電探測器、發(fā)光二極管以及鋰離子電池電極材料等。黑磷同樣是一種備受關(guān)注的二維材料，它具有類似于褶皺狀的層狀結(jié)構(gòu)，原子間通過共價(jià)鍵相互連接。黑磷的能帶結(jié)構(gòu)和載流子遷移率可以通過調(diào)整層數(shù)進(jìn)行調(diào)控，其體相黑磷的帶隙約為0.3eV，而單層黑磷的帶隙可增大至1.5eV左右，且具有較高的載流子遷移率，在室溫下可達(dá)1000cm^2/(V·s)。這些特性使得黑磷在半導(dǎo)體器件、儲(chǔ)能設(shè)備以及傳感器等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景，例如可用于制備高性能的場效應(yīng)晶體管、鋰離子電池和氣體傳感器等。除上述材料外，二維材料還包括六方氮化硼（hBN）、MXene、過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物等。六方氮化硼具有與石墨烯類似的六方晶格結(jié)構(gòu)，但由于原胞中B和N原子的存在，使其具有高達(dá)5.2eV的帶隙，是一種優(yōu)良的絕緣體，可用于制備絕緣襯底、納米電子器件的隧道勢壘以及散熱材料等。MXene則是一類新型的二維過渡金屬碳化物、氮化物或碳氮化物，具有高導(dǎo)電性、親水性和良好的力學(xué)性能等特點(diǎn)，在能源存儲(chǔ)、電磁屏蔽、傳感器等領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價(jià)值。二維材料的獨(dú)特性質(zhì)主要源于其原子級厚度和特殊的晶體結(jié)構(gòu)。在二維材料中，電子的運(yùn)動(dòng)被限制在二維平面內(nèi)，與三維材料中電子在多維空間的運(yùn)動(dòng)方式不同，這使得二維材料中的電子具有更高的遷移率和獨(dú)特的量子特性。由于二維材料的表面原子占比較大，表面效應(yīng)顯著，其物理和化學(xué)性質(zhì)與體相材料存在明顯差異，例如在光學(xué)性質(zhì)方面，二維材料可能表現(xiàn)出更強(qiáng)的光吸收和發(fā)射特性；在化學(xué)性質(zhì)方面，其表面原子的高活性使得二維材料在催化、吸附等領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用。1.3二維異質(zhì)結(jié)簡介1.3.1二維異質(zhì)結(jié)的概念與形成二維異質(zhì)結(jié)是由兩種或多種不同的二維材料通過范德瓦爾斯力相互堆疊而形成的一種新型材料結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，不同的二維材料層之間并沒有形成傳統(tǒng)的化學(xué)鍵，而是依靠較弱的范德瓦爾斯力結(jié)合在一起，這使得二維異質(zhì)結(jié)具有獨(dú)特的性質(zhì)和優(yōu)勢。其形成原理基于二維材料的原子級平整表面特性。由于二維材料僅有原子級別的厚度，表面非常平整，當(dāng)不同的二維材料相互靠近時(shí)，層間會(huì)產(chǎn)生范德瓦爾斯力。這種力雖然相對較弱，但足以維持不同二維材料層之間的穩(wěn)定結(jié)合，從而形成二維異質(zhì)結(jié)。以石墨烯/氮化硼異質(zhì)結(jié)為例，石墨烯是一種由碳原子組成的零帶隙二維材料，具有優(yōu)異的電學(xué)性能和高載流子遷移率；氮化硼則是一種寬帶隙的二維材料，具有良好的絕緣性能和高的熱穩(wěn)定性。當(dāng)石墨烯與氮化硼通過范德瓦爾斯力堆疊形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，二者的特性相互結(jié)合，在界面處產(chǎn)生了新的物理性質(zhì)，如石墨烯的能隙被打開，從而拓展了其在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用潛力。二維異質(zhì)結(jié)的形成過程可以通過多種方法實(shí)現(xiàn)，其中常見的有機(jī)械剝離與轉(zhuǎn)移堆疊法、化學(xué)氣相沉積法（CVD）等。機(jī)械剝離與轉(zhuǎn)移堆疊法是先通過機(jī)械剝離等方法獲得單層或少數(shù)層的二維材料，然后利用精密的轉(zhuǎn)移技術(shù)將不同的二維材料按照特定的順序和取向堆疊在一起。這種方法能夠精確控制二維材料的層數(shù)和堆疊順序，制備出高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)，但制備過程較為復(fù)雜，產(chǎn)量較低?；瘜W(xué)氣相沉積法則是在高溫和催化劑的作用下，通過氣態(tài)的原子或分子在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，直接在襯底上生長出二維異質(zhì)結(jié)。這種方法可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制備，且能夠在不同的襯底上生長異質(zhì)結(jié)，但生長過程中可能會(huì)引入雜質(zhì)，影響異質(zhì)結(jié)的質(zhì)量。1.3.2二維異質(zhì)結(jié)的分類二維異質(zhì)結(jié)根據(jù)組成材料的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)可以分為多種類型，常見的有金屬-絕緣-金屬（M-I-M）、磁性-絕緣-磁性（M-I-M'）、半導(dǎo)體-半導(dǎo)體（S-S）等異質(zhì)結(jié)。金屬-絕緣-金屬（M-I-M）異質(zhì)結(jié)通常由兩層金屬材料中間夾一層絕緣材料構(gòu)成。在這種結(jié)構(gòu)中，絕緣層起到隔離和調(diào)控電子傳輸?shù)淖饔?。以石墨?六方氮化硼/石墨烯（G/hBN/G）異質(zhì)結(jié)為例，六方氮化硼作為絕緣層，石墨烯作為金屬層。由于六方氮化硼的絕緣特性，電子在G/hBN/G異質(zhì)結(jié)中的傳輸主要通過量子隧穿效應(yīng)實(shí)現(xiàn)。這種異質(zhì)結(jié)在隧道結(jié)器件、單電子晶體管等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，通過調(diào)控絕緣層的厚度和質(zhì)量，可以有效地控制電子的隧穿概率，實(shí)現(xiàn)對器件電學(xué)性能的精確調(diào)控。磁性-絕緣-磁性（M-I-M'）異質(zhì)結(jié)是由兩層磁性材料和中間的絕緣層組成。這種異質(zhì)結(jié)的獨(dú)特之處在于其磁學(xué)性質(zhì)。例如，在鐵磁體/絕緣層/鐵磁體（FM/I/FM）異質(zhì)結(jié)中，通過絕緣層的隔離，兩層鐵磁體之間的磁相互作用主要表現(xiàn)為磁耦合作用。這種磁耦合作用可以是鐵磁耦合或反鐵磁耦合，取決于材料的性質(zhì)和異質(zhì)結(jié)的制備條件。M-I-M'異質(zhì)結(jié)在自旋電子學(xué)器件中具有重要應(yīng)用，如磁性隧道結(jié)（MTJ），利用隧道磁電阻效應(yīng)（TMR），可以實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)和讀取。通過調(diào)節(jié)磁性層的磁化方向和絕緣層的厚度，可以改變TMR效應(yīng)的大小，從而提高器件的性能。半導(dǎo)體-半導(dǎo)體（S-S）異質(zhì)結(jié)是由兩種不同的半導(dǎo)體二維材料組成。根據(jù)兩種半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)，S-S異質(zhì)結(jié)又可分為同型異質(zhì)結(jié)（如n-n型或p-p型）和異型異質(zhì)結(jié)（如p-n型）。以二硫化鉬/黑磷（MoS_2/BP）p-n異質(zhì)結(jié)為例，MoS_2是一種具有直接帶隙的半導(dǎo)體材料，黑磷也是半導(dǎo)體材料且其帶隙可通過層數(shù)進(jìn)行調(diào)控。在MoS_2/BPp-n異質(zhì)結(jié)中，由于兩種材料的費(fèi)米能級不同，在界面處會(huì)形成內(nèi)建電場。這種內(nèi)建電場使得異質(zhì)結(jié)具有整流特性和光伏效應(yīng)，在光電探測器、發(fā)光二極管、太陽能電池等光電器件中具有廣泛的應(yīng)用前景。通過優(yōu)化兩種半導(dǎo)體材料的界面質(zhì)量和能帶匹配，可以提高光電器件的性能，如提高光電探測器的響應(yīng)率和太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率。1.4α-tellurene的特性及研究現(xiàn)狀1.4.1α-tellurene的結(jié)構(gòu)與基本性質(zhì)α-tellurene是一種由碲原子組成的二維材料，具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)。其晶體結(jié)構(gòu)屬于正交晶系，空間群為Pmn2_1。在α-tellurene的原子平面內(nèi)，碲原子通過共價(jià)鍵相互連接，形成了一種類似于褶皺狀的結(jié)構(gòu)，這種褶皺結(jié)構(gòu)賦予了α-tellurene許多獨(dú)特的物理性質(zhì)。每個(gè)碲原子與周圍三個(gè)碲原子形成共價(jià)鍵，鍵長約為2.83?，鍵角約為103.4°，這種原子間的連接方式?jīng)Q定了α-tellurene的穩(wěn)定性和基本物理性質(zhì)。從電學(xué)性質(zhì)來看，α-tellurene是一種窄帶隙半導(dǎo)體材料，其帶隙大小與層數(shù)密切相關(guān)。單層α-tellurene的帶隙約為1.2eV，隨著層數(shù)的增加，帶隙逐漸減小，體相α-tellurene的帶隙約為0.35eV。這種可調(diào)節(jié)的帶隙特性使得α-tellurene在半導(dǎo)體器件應(yīng)用中具有很大的潛力，例如可用于制備高性能的場效應(yīng)晶體管。α-tellurene還具有較高的載流子遷移率，在室溫下，其空穴遷移率可達(dá)100-200cm^2/(V·s)，電子遷移率也能達(dá)到一定水平。較高的載流子遷移率意味著在電子器件中，α-tellurene能夠?qū)崿F(xiàn)更快的電子傳輸速度，從而提高器件的運(yùn)行效率。在光學(xué)性質(zhì)方面，α-tellurene表現(xiàn)出與傳統(tǒng)材料不同的特性。由于其原子級厚度和獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，α-tellurene對光的吸收和發(fā)射具有明顯的量子限域效應(yīng)。在可見光和近紅外光區(qū)域，α-tellurene具有較強(qiáng)的光吸收能力，這使得它在光電器件如光電探測器、發(fā)光二極管等方面具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。研究表明，α-tellurene可以作為一種高效的光電轉(zhuǎn)換材料，將光能轉(zhuǎn)化為電能或電能轉(zhuǎn)化為光能，其光吸收系數(shù)和發(fā)射效率與材料的層數(shù)、質(zhì)量以及制備工藝等因素密切相關(guān)。α-tellurene還具有一定的力學(xué)性質(zhì)。雖然它是一種二維材料，但由于碲原子之間的共價(jià)鍵作用，使得α-tellurene在二維平面內(nèi)具有一定的機(jī)械強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算表明，α-tellurene能夠承受一定程度的拉伸和彎曲而不發(fā)生破裂，這為其在柔性電子器件中的應(yīng)用提供了可能。例如，在柔性可穿戴設(shè)備中，α-tellurene可以作為敏感元件或?qū)щ娡ǖ溃S著設(shè)備的彎曲和變形，仍能保持其基本的物理性能。1.4.2α-tellurene在二維異質(zhì)結(jié)中的研究進(jìn)展近年來，α-tellurene與其他二維材料形成的二維異質(zhì)結(jié)成為了研究熱點(diǎn)，眾多科研團(tuán)隊(duì)在此領(lǐng)域取得了一系列重要研究成果，展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。在α-tellurene與石墨烯構(gòu)建的異質(zhì)結(jié)方面，研究發(fā)現(xiàn)由于二者之間的范德瓦爾斯相互作用，使得電子在異質(zhì)結(jié)界面處的傳輸特性發(fā)生了顯著變化。石墨烯具有高載流子遷移率和優(yōu)異的電學(xué)性能，而α-tellurene具有可調(diào)節(jié)的帶隙，二者結(jié)合形成的異質(zhì)結(jié)在高速電子器件和傳感器領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。通過實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算，科研人員深入研究了異質(zhì)結(jié)界面處的電荷轉(zhuǎn)移和能帶結(jié)構(gòu)變化，發(fā)現(xiàn)該異質(zhì)結(jié)能夠有效地調(diào)制石墨烯的電學(xué)性能，使其能隙打開，從而拓展了石墨烯在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用范圍。在傳感器應(yīng)用中，α-tellurene/石墨烯異質(zhì)結(jié)對某些氣體分子具有特殊的吸附和電學(xué)響應(yīng)特性，可用于制備高靈敏度的氣體傳感器，實(shí)現(xiàn)對有害氣體的快速檢測和監(jiān)測。α-tellurene與過渡金屬二硫?qū)倩衔铮ㄈ鏜oS_2、WS_2等）形成的異質(zhì)結(jié)也備受關(guān)注。這些異質(zhì)結(jié)結(jié)合了α-tellurene和過渡金屬二硫?qū)倩衔锏膬?yōu)勢，在光電器件領(lǐng)域展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用潛力。以α-tellurene/MoS_2異質(zhì)結(jié)為例，MoS_2是一種具有直接帶隙的半導(dǎo)體材料，在光電子學(xué)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值，而α-tellurene具有較高的載流子遷移率。二者形成的異質(zhì)結(jié)在光吸收、光發(fā)射和載流子傳輸?shù)确矫姹憩F(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，α-tellurene/MoS_2異質(zhì)結(jié)在光電探測器應(yīng)用中具有較高的響應(yīng)率和快速的響應(yīng)速度，能夠有效地探測可見光和近紅外光信號。通過調(diào)控異質(zhì)結(jié)的界面質(zhì)量和能帶結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步優(yōu)化其光電性能，提高器件的性能指標(biāo)。在α-tellurene與黑磷形成的異質(zhì)結(jié)研究中，科研人員發(fā)現(xiàn)該異質(zhì)結(jié)具有獨(dú)特的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。黑磷具有與α-tellurene不同的能帶結(jié)構(gòu)和載流子遷移率，二者結(jié)合形成的異質(zhì)結(jié)在半導(dǎo)體器件和光電器件中展現(xiàn)出了新的功能。研究表明，α-tellurene/黑磷異質(zhì)結(jié)可以實(shí)現(xiàn)高效的電荷分離和傳輸，在太陽能電池和發(fā)光二極管等器件中具有潛在的應(yīng)用前景。通過精確控制異質(zhì)結(jié)的制備工藝和結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以調(diào)控其電學(xué)和光學(xué)性能，為實(shí)現(xiàn)高性能的光電器件提供了新的途徑。1.5研究內(nèi)容與方法1.5.1研究內(nèi)容本研究聚焦于α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)，旨在深入探索其微觀特性，為二維材料在半導(dǎo)體和光電器件領(lǐng)域的應(yīng)用提供理論支撐。具體研究內(nèi)容涵蓋以下幾個(gè)關(guān)鍵方面：α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)構(gòu)建與優(yōu)化：運(yùn)用材料模擬軟件，構(gòu)建多種基于α-tellurene的二維異質(zhì)結(jié)模型，如α-tellurene與石墨烯、過渡金屬二硫族化合物（如MoS_2、WS_2）、黑磷等形成的異質(zhì)結(jié)。通過改變異質(zhì)結(jié)中各層材料的堆疊順序、相對取向和層間距離，系統(tǒng)研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對異質(zhì)結(jié)穩(wěn)定性和電子結(jié)構(gòu)的影響。利用第一性原理計(jì)算方法，優(yōu)化異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)，確定其最穩(wěn)定的構(gòu)型，為后續(xù)的電子結(jié)構(gòu)分析奠定基礎(chǔ)。α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)分析：借助密度泛函理論（DFT）計(jì)算，深入研究α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)，包括能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、電荷密度分布等。分析異質(zhì)結(jié)界面處的電荷轉(zhuǎn)移和相互作用，揭示界面效應(yīng)對電子結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制。通過計(jì)算能帶結(jié)構(gòu)，確定異質(zhì)結(jié)的帶隙大小和類型，研究帶隙隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律，探索實(shí)現(xiàn)帶隙調(diào)控的有效方法。研究態(tài)密度分布，了解不同原子和軌道對電子態(tài)的貢獻(xiàn)，為理解異質(zhì)結(jié)的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)提供依據(jù)。分析電荷密度分布，明確界面處的電荷積累和轉(zhuǎn)移情況，探討其與異質(zhì)結(jié)性能之間的關(guān)系。α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)的電學(xué)與光學(xué)性質(zhì)研究：基于電子結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，進(jìn)一步研究α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。計(jì)算異質(zhì)結(jié)的載流子遷移率、電導(dǎo)率等電學(xué)參數(shù)，分析其在電場作用下的電子輸運(yùn)特性。通過求解薛定諤方程和麥克斯韋方程組，研究異質(zhì)結(jié)的光吸收、光發(fā)射和光生載流子的產(chǎn)生與復(fù)合等光學(xué)性質(zhì)。探討電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)與電子結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系，揭示異質(zhì)結(jié)在電子器件和光電器件應(yīng)用中的潛在優(yōu)勢。研究不同外部條件（如溫度、壓力、光照等）對異質(zhì)結(jié)電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的影響，為器件的性能優(yōu)化和實(shí)際應(yīng)用提供參考。α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)的應(yīng)用性能評估：結(jié)合上述研究成果，對α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)在半導(dǎo)體器件（如場效應(yīng)晶體管、二極管等）和光電器件（如光電探測器、發(fā)光二極管、太陽能電池等）中的應(yīng)用性能進(jìn)行評估。通過建立器件物理模型，模擬異質(zhì)結(jié)在器件中的工作過程，分析其性能指標(biāo)（如開關(guān)速度、響應(yīng)率、轉(zhuǎn)換效率等）。與傳統(tǒng)材料和其他二維異質(zhì)結(jié)相比，評估α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)在器件應(yīng)用中的優(yōu)勢和不足，提出進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)的方向。探索α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)在新型器件（如量子比特、自旋電子器件等）中的應(yīng)用潛力，為拓展二維材料的應(yīng)用領(lǐng)域提供理論指導(dǎo)。1.5.2研究方法為了深入研究α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)，本研究將綜合運(yùn)用理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，充分發(fā)揮兩種方法的優(yōu)勢，相互驗(yàn)證和補(bǔ)充，以確保研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。理論計(jì)算方法：第一性原理計(jì)算：基于密度泛函理論（DFT），使用VASP（ViennaAbinitioSimulationPackage）等軟件進(jìn)行第一性原理計(jì)算。在計(jì)算過程中，采用平面波贗勢方法描述電子-離子相互作用，交換關(guān)聯(lián)能選用廣義梯度近似（GGA）或更精確的雜化泛函進(jìn)行處理。通過優(yōu)化異質(zhì)結(jié)的原子結(jié)構(gòu)，使其總能量收斂到足夠小的數(shù)值，以獲得穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)構(gòu)型。在此基礎(chǔ)上，計(jì)算異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)，包括能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、電荷密度分布等，深入分析其電子特性。分子動(dòng)力學(xué)模擬：利用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法，如LAMMPS（Large-ScaleAtomic/MolecularMassivelyParallelSimulator）軟件，研究α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)在不同溫度和壓力條件下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)行為。通過模擬原子的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析異質(zhì)結(jié)的熱膨脹系數(shù)、彈性常數(shù)等物理量，了解其在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的穩(wěn)定性和可靠性。模擬異質(zhì)結(jié)在外部應(yīng)力作用下的變形和破壞過程，為研究其力學(xué)性能提供理論依據(jù)。量子輸運(yùn)計(jì)算：運(yùn)用非平衡格林函數(shù)（NEGF）方法結(jié)合密度泛函理論，使用ATK（AtomistixToolKit）等軟件進(jìn)行量子輸運(yùn)計(jì)算。通過構(gòu)建包含α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)的器件模型，計(jì)算其在不同偏壓下的電流-電壓特性、電子透射譜等量子輸運(yùn)性質(zhì)。分析異質(zhì)結(jié)界面處的電子散射和輸運(yùn)機(jī)制，研究載流子在異質(zhì)結(jié)中的傳輸過程，為理解其電學(xué)性能提供微觀層面的解釋。實(shí)驗(yàn)研究方法：材料制備：采用化學(xué)氣相沉積（CVD）法、分子束外延（MBE）法等制備基于α-tellurene的二維異質(zhì)結(jié)材料。在化學(xué)氣相沉積過程中，精確控制反應(yīng)氣體的流量、溫度和壓力等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對異質(zhì)結(jié)生長過程的精確調(diào)控，以獲得高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)薄膜。分子束外延法則在超高真空環(huán)境下，通過精確控制原子束的蒸發(fā)速率和襯底溫度，實(shí)現(xiàn)原子級別的精確生長，制備出高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)樣品。利用機(jī)械剝離與轉(zhuǎn)移堆疊法，將不同的二維材料按照特定的順序和取向堆疊在一起，制備出具有特定結(jié)構(gòu)的異質(zhì)結(jié)樣品。結(jié)構(gòu)表征：運(yùn)用高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）、掃描隧道顯微鏡（STM）、原子力顯微鏡（AFM）等微觀表征技術(shù)，對制備的α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。通過高分辨率透射電子顯微鏡觀察異質(zhì)結(jié)的原子排列和界面結(jié)構(gòu)，確定其晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)。利用掃描隧道顯微鏡測量異質(zhì)結(jié)表面的原子形貌和電子態(tài)密度分布，獲取其表面微觀信息。原子力顯微鏡則用于測量異質(zhì)結(jié)的表面形貌和厚度，分析其表面平整度和均勻性。采用X射線衍射（XRD）、拉曼光譜等宏觀表征技術(shù)，對異質(zhì)結(jié)的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵進(jìn)行分析。X射線衍射可以確定異質(zhì)結(jié)的晶體結(jié)構(gòu)和取向，拉曼光譜則可以分析異質(zhì)結(jié)中原子的振動(dòng)模式和化學(xué)鍵的類型，為研究其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)提供重要信息。性能測試：搭建電學(xué)測試平臺，測量α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)的電學(xué)性能，如載流子遷移率、電導(dǎo)率、電阻等。通過四探針法測量異質(zhì)結(jié)的電阻，利用霍爾效應(yīng)測量其載流子濃度和遷移率，分析其電學(xué)特性與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。構(gòu)建光學(xué)測試系統(tǒng)，測試異質(zhì)結(jié)的光學(xué)性能，如光吸收、光發(fā)射、光致發(fā)光等。使用紫外-可見光譜儀測量異質(zhì)結(jié)的光吸收譜，分析其對不同波長光的吸收能力。利用光致發(fā)光光譜儀測量異質(zhì)結(jié)的光致發(fā)光特性，研究其發(fā)光機(jī)制和發(fā)光效率。二、理論基礎(chǔ)與研究方法2.1密度泛函理論（DFT）密度泛函理論（DensityFunctionalTheory，DFT）是一種用于研究多電子體系電子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)方法，在材料科學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。其核心思想是將多電子體系的基態(tài)性質(zhì)通過電子密度來描述，而不是傳統(tǒng)的多電子波函數(shù)，這大大降低了計(jì)算的復(fù)雜性。DFT的發(fā)展為研究分子和固體的電子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵、光學(xué)性質(zhì)等提供了強(qiáng)大的理論工具。在研究α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)時(shí)，DFT能夠從原子和電子層面深入分析異質(zhì)結(jié)的特性，揭示其內(nèi)在的物理機(jī)制。2.1.1絕熱近似絕熱近似，又稱玻恩-奧本海默（Born-Oppenheimer）近似，是密度泛函理論中的重要基礎(chǔ)假設(shè)。該近似基于原子核與電子質(zhì)量的巨大差異，認(rèn)為電子的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)快于原子核。在量子力學(xué)中，一個(gè)多電子體系包含原子核和電子，其哈密頓量H通常包含電子的動(dòng)能項(xiàng)T_e、原子核的動(dòng)能項(xiàng)T_N、電子與原子核之間的相互作用勢能項(xiàng)V_{eN}、電子之間的相互作用勢能項(xiàng)V_{ee}以及原子核之間的相互作用勢能項(xiàng)V_{NN}，即H=T_e+T_N+V_{eN}+V_{ee}+V_{NN}。由于電子質(zhì)量約為原子核質(zhì)量的千分之一，在原子尺度下，電子的運(yùn)動(dòng)速度比原子核快得多。對于每一個(gè)瞬間的原子核位置，電子都能夠迅速調(diào)整其狀態(tài)，達(dá)到與該原子核位置相對應(yīng)的定態(tài)。因此，可以將電子與原子核的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分離處理。在處理電子的運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以將原子核視為固定在某一位置，只考慮電子在固定原子核勢場中的運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，體系的哈密頓量可以簡化為只包含電子相關(guān)的部分，即H_e=T_e+V_{eN}+V_{ee}，其中V_{eN}表示電子與固定原子核之間的相互作用勢能，V_{ee}表示電子之間的相互作用勢能。通過這種近似，將多電子體系的復(fù)雜問題簡化為在固定原子核勢場下電子的運(yùn)動(dòng)問題，大大降低了計(jì)算的難度。在研究α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)時(shí)，絕熱近似使得我們可以先專注于電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算，而無需同時(shí)考慮原子核的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)。通過將原子核位置固定，利用密度泛函理論計(jì)算電子在異質(zhì)結(jié)中的分布和能量狀態(tài)，進(jìn)而分析異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)。如果不采用絕熱近似，同時(shí)考慮原子核和電子的動(dòng)態(tài)變化，計(jì)算量將極其龐大，甚至超出目前計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力。絕熱近似在理論計(jì)算中起著至關(guān)重要的作用，為后續(xù)基于密度泛函理論的計(jì)算提供了可行的基礎(chǔ)。2.1.2Hohenberg-Kohn理論Hohenberg-Kohn理論是密度泛函理論的基石，由Hohenberg和Kohn于1964年提出，它建立了電子密度與體系基態(tài)能量之間的緊密聯(lián)系。Hohenberg-Kohn第一定理指出，對于一個(gè)處在外部勢場V_{ext}(r)中的多電子體系，其基態(tài)電子密度\rho(r)是唯一確定的，并且反過來，外部勢場V_{ext}(r)（除了一個(gè)常數(shù)項(xiàng)）也由基態(tài)電子密度\rho(r)唯一確定。這意味著體系的所有性質(zhì)都可以由電子密度\rho(r)來確定。因?yàn)橥獠縿輬鰶Q定了體系的哈密頓量，進(jìn)而決定了體系的所有量子力學(xué)性質(zhì)。假設(shè)存在兩個(gè)不同的外部勢場V_{ext1}(r)和V_{ext2}(r)，它們產(chǎn)生了相同的基態(tài)電子密度\rho(r)。通過構(gòu)造一個(gè)新的哈密頓量，并利用變分原理，可以證明這兩個(gè)外部勢場只能相差一個(gè)常數(shù)，從而證明了基態(tài)電子密度對外部勢場的唯一確定關(guān)系（除常數(shù)項(xiàng)外）。Hohenberg-Kohn第二定理表明，體系的基態(tài)能量E_{gs}是電子密度\rho(r)的泛函E[\rho]，并且在滿足粒子數(shù)守恒\int\rho(r)dr=N（N為體系電子總數(shù)）的條件下，當(dāng)電子密度取到正確的基態(tài)密度\rho_{gs}(r)時(shí)，能量泛函E[\rho]達(dá)到最小值，這個(gè)最小值就是體系的基態(tài)能量E_{gs}，即E_{gs}=E[\rho_{gs}]=minE[\rho]。利用變分原理，將體系的能量表示為電子密度的泛函，并證明在滿足粒子數(shù)守恒的條件下，當(dāng)電子密度取基態(tài)密度時(shí)，能量泛函達(dá)到最小值。具體證明過程中需要用到一些數(shù)學(xué)技巧和對量子力學(xué)基本原理的深入理解。Hohenberg-Kohn理論從理論上證明了可以通過尋找合適的電子密度泛函來計(jì)算多電子體系的基態(tài)能量和其他性質(zhì)，而無需像傳統(tǒng)的量子力學(xué)方法那樣直接處理多電子波函數(shù)。由于電子密度是一個(gè)三維空間的函數(shù)，相比多電子波函數(shù)（其變量個(gè)數(shù)隨電子數(shù)增加而急劇增加），處理起來要簡單得多，這為發(fā)展高效的計(jì)算方法提供了可能，使得密度泛函理論在處理大量原子的復(fù)雜體系時(shí)具有很大的優(yōu)勢。在研究α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)時(shí)，依據(jù)該理論，我們可以通過計(jì)算異質(zhì)結(jié)的電子密度分布，來確定其基態(tài)能量以及其他重要的物理性質(zhì)，為深入理解異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)提供了理論依據(jù)。2.1.3Kohn-Sham方程Kohn-Sham方程是密度泛函理論的核心方程，由Kohn和Sham于1965年提出，它為計(jì)算多電子體系的基態(tài)性質(zhì)提供了一種有效的途徑?；贖ohenberg-Kohn定理，多電子體系的能量可以表示為電子密度的泛函。為了求解這個(gè)能量泛函，Kohn和Sham引入了一個(gè)無相互作用的參考體系，該參考體系的電子密度與真實(shí)多電子體系的電子密度相同。通過變分原理，對能量泛函求極值，得到Kohn-Sham方程。其具體形式為：\left[-\frac{1}{2}\nabla^2+V_{ext}(r)+V_H(r)+V_{xc}(r)\right]\psi_i(r)=\epsilon_i\psi_i(r)其中，\psi_i(r)是第i個(gè)Kohn-Sham軌道波函數(shù)，\epsilon_i是對應(yīng)的軌道能量。V_{ext}(r)是外部勢能，例如原子核產(chǎn)生的勢能；V_H(r)是電子間的庫侖勢能，即Hartree勢能，描述電子間的直接庫侖相互作用，可表示為V_H(r)=e^2\int\frac{\rho(r')}{|r-r'|}dr'，其中\(zhòng)rho(r')是電子密度；V_{xc}(r)是交換關(guān)聯(lián)勢能，描述電子間的交換和關(guān)聯(lián)作用，它是電子密度的泛函，但目前其精確形式未知，通常需要通過近似來計(jì)算。Kohn-Sham方程將多電子問題轉(zhuǎn)化為一組單粒子方程。通過求解這些單粒子方程，可以獲得多電子體系的基態(tài)能量和電子密度等性質(zhì)。在實(shí)際計(jì)算中，首先需要猜測一個(gè)初始的電子密度，然后根據(jù)Kohn-Sham方程計(jì)算出有效勢能，進(jìn)而求解出Kohn-Sham軌道波函數(shù)和軌道能量。利用這些結(jié)果更新電子密度，再重新計(jì)算有效勢能，如此反復(fù)迭代，直到電子密度和能量收斂為止。在α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)的研究中，Kohn-Sham方程是計(jì)算其電子結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。通過求解該方程，可以得到異質(zhì)結(jié)中電子的分布情況、能帶結(jié)構(gòu)以及態(tài)密度等重要信息，從而深入了解異質(zhì)結(jié)的電學(xué)、光學(xué)等性質(zhì)。例如，通過分析Kohn-Sham軌道波函數(shù)，可以確定電子在異質(zhì)結(jié)中的主要分布區(qū)域；通過計(jì)算軌道能量，可以繪制出異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)，進(jìn)而判斷其導(dǎo)電性和半導(dǎo)體特性。2.1.4交換關(guān)聯(lián)泛函交換關(guān)聯(lián)泛函在Kohn-Sham方程中起著關(guān)鍵作用，用于描述電子間的交換和關(guān)聯(lián)作用。然而，由于多電子體系中電子間相互作用的復(fù)雜性，交換關(guān)聯(lián)泛函的確切形式至今仍未完全確定，通常需要采用近似方法來處理。目前，常見的交換關(guān)聯(lián)泛函近似方法包括局域密度近似（LocalDensityApproximation，LDA）和廣義梯度近似（GeneralizedGradientApproximation，GGA）等。局域密度近似（LDA）假設(shè)在空間某一點(diǎn)的交換關(guān)聯(lián)能只取決于該點(diǎn)的電子密度，就如同均勻電子氣的情況。其交換關(guān)聯(lián)能E_{xc}^{LDA}可表示為E_{xc}^{LDA}=\int\rho(r)\epsilon_{xc}[\rho(r)]dr，其中\(zhòng)epsilon_{xc}[\rho(r)]是均勻電子氣在密度為\rho(r)時(shí)的交換關(guān)聯(lián)能密度。LDA在許多情況下能夠給出較為合理的結(jié)果，尤其是對于電子密度變化較為緩慢的體系。在處理金屬體系時(shí)，LDA能夠較好地描述電子的行為，計(jì)算得到的金屬的晶格常數(shù)、結(jié)合能等與實(shí)驗(yàn)值有一定的吻合度。但對于電子密度變化較大的體系，如半導(dǎo)體和絕緣體，LDA往往會(huì)低估帶隙，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值存在較大偏差。廣義梯度近似（GGA）在LDA的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，考慮了電子密度的梯度信息。它認(rèn)為交換關(guān)聯(lián)能不僅與電子密度的大小有關(guān)，還與電子密度的變化率有關(guān)。常見的GGA泛函有Perdew-Wang91（PW91）和Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）等形式。以PBE泛函為例，其交換關(guān)聯(lián)能E_{xc}^{GGA}的表達(dá)式較為復(fù)雜，涉及到電子密度及其梯度的相關(guān)函數(shù)。GGA泛函通常能夠提供比LDA更準(zhǔn)確的能量和結(jié)構(gòu)描述。在半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)計(jì)算中，GGA泛函給出的半導(dǎo)體帶隙值通常比LDA給出的值更接近實(shí)驗(yàn)真實(shí)值。對于一些具有復(fù)雜電子結(jié)構(gòu)的材料，GGA泛函也能更好地描述其電子性質(zhì)。但GGA泛函也并非完美，對于一些強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系，如過渡金屬氧化物，GGA泛函的計(jì)算結(jié)果仍存在一定的局限性。除了LDA和GGA，還有其他更高級的交換關(guān)聯(lián)泛函近似方法，如雜化泛函。雜化泛函將Hartree-Fock方法中的交換能與DFT方法中的交換能進(jìn)行線性組合，以獲得更準(zhǔn)確的交換關(guān)聯(lián)能描述。常用的雜化泛函如HSE06，它在計(jì)算固體材料的電子結(jié)構(gòu)方面具有較高的精度，能夠更準(zhǔn)確地描述材料的能帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。但雜化泛函的計(jì)算量通常比LDA和GGA大得多，限制了其在大規(guī)模體系計(jì)算中的應(yīng)用。在研究α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)時(shí)，選擇合適的交換關(guān)聯(lián)泛函至關(guān)重要。不同的交換關(guān)聯(lián)泛函會(huì)對異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。若使用LDA泛函，可能會(huì)低估異質(zhì)結(jié)的帶隙，導(dǎo)致對其半導(dǎo)體性質(zhì)的判斷出現(xiàn)偏差；而采用GGA泛函，雖然在一定程度上能夠改善帶隙的計(jì)算結(jié)果，但對于一些特殊的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，可能仍無法準(zhǔn)確描述其電子性質(zhì)。因此，需要根據(jù)具體的研究體系和目的，綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算成本，選擇最合適的交換關(guān)聯(lián)泛函。2.1.5贗勢方法在基于密度泛函理論的計(jì)算中，贗勢方法是一種重要的簡化計(jì)算手段，用于處理離子實(shí)與價(jià)電子的相互作用。在多電子體系中，原子由原子核和電子組成，電子可分為內(nèi)層的芯電子和外層的價(jià)電子。在研究材料的物理性質(zhì)時(shí)，價(jià)電子起著關(guān)鍵作用，而芯電子與原子核緊密結(jié)合，對材料的宏觀性質(zhì)影響較小。然而，在求解Kohn-Sham方程時(shí)，若直接考慮所有電子的相互作用，由于芯電子在原子核附近的波函數(shù)振蕩劇烈，會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量急劇增加，甚至超出計(jì)算機(jī)的處理能力。贗勢方法的基本原理是將原子的內(nèi)層芯電子與原子核看作一個(gè)整體，即離子實(shí)，用一個(gè)相對簡單的贗勢來代替離子實(shí)對價(jià)電子的作用。這樣在計(jì)算中就只需考慮價(jià)電子的行為，大大減少了計(jì)算的復(fù)雜性。從數(shù)學(xué)角度來看，贗勢的引入使得描述價(jià)電子運(yùn)動(dòng)的波函數(shù)在離子實(shí)區(qū)域變得平滑，避免了因芯電子波函數(shù)的劇烈振蕩而帶來的計(jì)算困難。在平面波基組下，若不使用贗勢，描述電子波函數(shù)需要大量的平面波，計(jì)算量巨大；而采用贗勢后，所需的平面波數(shù)量大幅減少，從而降低了計(jì)算成本。常見的贗勢類型包括模守恒贗勢（Norm-ConservingPseudopotential，NCP）、超軟贗勢（Ultra-SoftPseudopotential，USP）和投影綴加波贗勢（ProjectorAugmented-WavePseudopotential，PAW）等。模守恒贗勢要求贗波函數(shù)在離子實(shí)區(qū)域外的梯度與全電子波函數(shù)的梯度相同，以保證在計(jì)算一些與波函數(shù)導(dǎo)數(shù)相關(guān)的物理量時(shí)的準(zhǔn)確性。它在早期的計(jì)算中應(yīng)用廣泛，但對于一些重元素，由于其電子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，模守恒贗勢可能需要較高的截?cái)嗄芰浚?jì)算效率較低。超軟贗勢則通過放寬對波函數(shù)的一些限制條件，允許贗波函數(shù)在離子實(shí)區(qū)域有一定的誤差，從而降低了對截?cái)嗄芰康囊?，提高了?jì)算效率。它適用于處理包含過渡金屬等元素的體系，在計(jì)算這些體系的電子結(jié)構(gòu)時(shí)能夠在保證一定精度的前提下，顯著減少計(jì)算時(shí)間。投影綴加波贗勢結(jié)合了平面波基組的優(yōu)點(diǎn)和全電子計(jì)算的準(zhǔn)確性。它通過引入投影函數(shù)來重建全電子波函數(shù)，能夠更精確地描述電荷密度和勢場。PAW方法在處理具有復(fù)雜電子結(jié)構(gòu)的材料時(shí)表現(xiàn)出更好的靈活性和準(zhǔn)確性，尤其在研究材料的磁性、光學(xué)等性質(zhì)時(shí)，能夠提供更可靠的計(jì)算結(jié)果。在α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)的研究中，贗勢方法發(fā)揮著重要作用。由于α-tellurene以及與之形成異質(zhì)結(jié)的其他二維材料可能包含多種元素，使用贗勢方法可以有效地簡化計(jì)算過程。通過合理選擇贗勢類型，如對于α-tellurene中的碲元素，根據(jù)其電子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇合適的贗勢，能夠在保證計(jì)算精度的同時(shí)，提高計(jì)算效率，使得對α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)的大規(guī)模計(jì)算研究成為可能。2.2計(jì)算模擬工具2.2.1VASP程序包VASP（ViennaAbinitioSimulationPackage）程序包是一款基于密度泛函理論（DFT）的量子力學(xué)計(jì)算軟件，在材料科學(xué)領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用，是研究α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)的重要工具之一。VASP的核心優(yōu)勢在于其高精度的計(jì)算能力。它采用平面波基組來描述電子波函數(shù)，能夠精確地處理復(fù)雜的電子結(jié)構(gòu)問題。在研究α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)時(shí)，平面波基組可以有效地描述電子在不同原子之間的分布和相互作用。通過將電子波函數(shù)展開為平面波的線性組合，VASP能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出電子的能量和波函數(shù)，進(jìn)而得到異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)信息，如能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度等。這種高精度的計(jì)算方法為深入研究α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)的電子特性提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。VASP支持模守恒贗勢（NCPP）、超軟贗勢（USP）和投影綴加波贗勢（PAW）等多種贗勢方法，以處理離子實(shí)與價(jià)電子的相互作用。不同的贗勢方法具有各自的特點(diǎn)和適用范圍。模守恒贗勢要求贗波函數(shù)在離子實(shí)區(qū)域外的梯度與全電子波函數(shù)的梯度相同，能夠較好地描述電子的行為，適用于一些對波函數(shù)精度要求較高的計(jì)算。超軟贗勢則通過放寬對波函數(shù)的一些限制條件，降低了對截?cái)嗄芰康囊?，提高了?jì)算效率，尤其適用于處理包含過渡金屬等元素的體系。投影綴加波贗勢結(jié)合了平面波基組的優(yōu)點(diǎn)和全電子計(jì)算的準(zhǔn)確性，通過引入投影函數(shù)來重建全電子波函數(shù)，能夠更精確地描述電荷密度和勢場，在處理具有復(fù)雜電子結(jié)構(gòu)的材料時(shí)表現(xiàn)出更好的靈活性和準(zhǔn)確性。在研究α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)時(shí)，根據(jù)體系中元素的特點(diǎn)選擇合適的贗勢方法，可以在保證計(jì)算精度的同時(shí)，提高計(jì)算效率，使大規(guī)模的計(jì)算研究成為可能。VASP還具備強(qiáng)大的并行計(jì)算能力，支持多處理器并行計(jì)算。這一特性使得VASP在處理大規(guī)模原子體系時(shí)，能夠顯著縮短計(jì)算時(shí)間，提高計(jì)算效率。在研究α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)時(shí)，通常需要考慮較大的超晶胞模型，包含大量的原子。VASP的并行計(jì)算功能可以將計(jì)算任務(wù)分配到多個(gè)處理器上同時(shí)進(jìn)行，大大加快了計(jì)算速度，使得對復(fù)雜異質(zhì)結(jié)體系的研究能夠在合理的時(shí)間內(nèi)完成。例如，在計(jì)算α-tellurene與其他二維材料形成的大尺寸異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)時(shí)，利用VASP的并行計(jì)算能力，可以在較短的時(shí)間內(nèi)得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，為研究工作提供了有力的支持。VASP提供了豐富的功能模塊，涵蓋了電子結(jié)構(gòu)計(jì)算、分子動(dòng)力學(xué)模擬、聲子計(jì)算、磁性計(jì)算等多個(gè)方面。在電子結(jié)構(gòu)計(jì)算方面，它能夠精確地計(jì)算出材料的能級、電荷密度分布、能帶、電子態(tài)密度等重要信息。在研究α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)時(shí)，通過這些信息可以深入了解異質(zhì)結(jié)的電學(xué)性質(zhì)，如判斷其是金屬、半導(dǎo)體還是絕緣體，分析載流子的分布和傳輸特性等。分子動(dòng)力學(xué)模擬模塊可以研究異質(zhì)結(jié)在不同溫度和壓力條件下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)行為，通過模擬原子的運(yùn)動(dòng)軌跡，分析異質(zhì)結(jié)的熱膨脹系數(shù)、彈性常數(shù)等物理量，為研究其在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的穩(wěn)定性提供依據(jù)。聲子計(jì)算模塊可以計(jì)算材料的聲子譜，了解晶格振動(dòng)對材料性質(zhì)的影響。磁性計(jì)算模塊則可以研究材料的磁性性質(zhì)，對于含有磁性元素的α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)，能夠分析其磁性起源和磁相互作用。2.2.2MaterialsStudio模擬軟件MaterialsStudio是一款功能強(qiáng)大的綜合性分子模擬軟件，由BIOVIA公司開發(fā)，在材料科學(xué)、化學(xué)、生物化學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，對于研究α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)具有重要作用。在構(gòu)建α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)模型方面，MaterialsStudio提供了直觀且便捷的操作界面和豐富的建模工具。它允許用戶通過簡單的圖形化操作，精確地定義原子的種類、位置和排列方式，從而構(gòu)建出各種復(fù)雜的二維異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。在構(gòu)建α-tellurene與石墨烯的異質(zhì)結(jié)模型時(shí)，用戶可以利用MaterialsStudio的建模工具，準(zhǔn)確地設(shè)置α-tellurene和石墨烯的層數(shù)、相對取向以及層間距離等參數(shù)。通過調(diào)整這些參數(shù)，可以系統(tǒng)地研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對異質(zhì)結(jié)穩(wěn)定性和電子結(jié)構(gòu)的影響。MaterialsStudio還支持導(dǎo)入外部的結(jié)構(gòu)文件，方便用戶利用已有的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型構(gòu)建。MaterialsStudio集成了多種基于量子力學(xué)和分子力學(xué)的模擬方法，能夠?qū)Ζ?tellurene二維異質(zhì)結(jié)的各種性質(zhì)進(jìn)行全面的模擬和分析。其中，CASTEP（CambridgeSerialTotalEnergyPackage）模塊是基于密度泛函理論的量子力學(xué)計(jì)算模塊，與VASP類似，它可以精確地計(jì)算異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)。通過CASTEP模塊，可以計(jì)算α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、電荷密度分布等信息，深入了解異質(zhì)結(jié)的電子特性。在計(jì)算能帶結(jié)構(gòu)時(shí)，CASTEP模塊能夠準(zhǔn)確地確定異質(zhì)結(jié)的帶隙大小和類型，分析帶隙隨結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律，為研究異質(zhì)結(jié)的半導(dǎo)體性質(zhì)提供重要依據(jù)。Dmol3模塊也是MaterialsStudio中的一個(gè)重要量子力學(xué)計(jì)算模塊，它采用數(shù)值原子軌道基組，在計(jì)算效率和精度之間取得了較好的平衡。Dmol3模塊可以用于計(jì)算異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)反應(yīng)活性等性質(zhì)，對于研究α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)在化學(xué)反應(yīng)中的行為具有重要意義。MaterialsStudio還具備強(qiáng)大的分子動(dòng)力學(xué)模擬功能，能夠模擬α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)在不同溫度和壓力條件下的動(dòng)態(tài)行為。通過分子動(dòng)力學(xué)模擬，可以研究異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、熱膨脹系數(shù)、擴(kuò)散系數(shù)等物理性質(zhì)。在模擬α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)的熱膨脹過程時(shí)，可以觀察到異質(zhì)結(jié)在溫度變化時(shí)原子的運(yùn)動(dòng)和結(jié)構(gòu)的變化，從而計(jì)算出熱膨脹系數(shù)。分子動(dòng)力學(xué)模擬還可以研究異質(zhì)結(jié)中原子的擴(kuò)散行為，了解原子在異質(zhì)結(jié)中的遷移路徑和擴(kuò)散速率，為研究異質(zhì)結(jié)的生長和性能優(yōu)化提供理論支持。在結(jié)果分析和可視化方面，MaterialsStudio提供了豐富的工具和功能。它可以將模擬計(jì)算得到的結(jié)果以直觀的圖形、圖表等形式展示出來，方便用戶進(jìn)行分析和理解。在分析α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)的電荷密度分布時(shí)，MaterialsStudio可以生成電荷密度等值面圖，清晰地展示電荷在異質(zhì)結(jié)中的分布情況。它還可以對模擬結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，提取出有用的信息。例如，通過對分子動(dòng)力學(xué)模擬結(jié)果的分析，可以得到異質(zhì)結(jié)的平均結(jié)構(gòu)參數(shù)、原子間距離的統(tǒng)計(jì)分布等信息，為深入研究異質(zhì)結(jié)的性質(zhì)提供數(shù)據(jù)支持。2.3實(shí)驗(yàn)表征方法2.3.1掃描隧道顯微鏡（STM）掃描隧道顯微鏡（ScanningTunnelingMicroscope，STM）是一種能夠在原子尺度上對材料表面進(jìn)行成像和分析的強(qiáng)大工具，在研究α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)的表面原子結(jié)構(gòu)和電子態(tài)方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。其工作原理基于量子力學(xué)中的隧道效應(yīng)。當(dāng)一個(gè)非常尖銳的金屬探針與樣品表面之間的距離足夠?。ㄍǔＴ谠映叨龋s為1納米以內(nèi)）時(shí)，由于電子的波動(dòng)性，電子能夠穿過探針與樣品表面之間的勢壘，形成隧道電流。隧道電流的大小與探針和樣品表面之間的距離以及樣品表面的電子態(tài)密度密切相關(guān)。根據(jù)量子力學(xué)的隧道效應(yīng)理論，隧道電流I與探針和樣品之間的距離d以及樣品表面的電子態(tài)密度\rho(E)滿足一定的關(guān)系，如I\propto\rho(E)\exp(-2\kappad)，其中\(zhòng)kappa是與勢壘高度和電子能量相關(guān)的常數(shù)。在實(shí)際操作中，STM通過控制探針在樣品表面的掃描，精確測量隧道電流的變化。當(dāng)探針在樣品表面逐點(diǎn)掃描時(shí)，反饋控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)隧道電流的變化實(shí)時(shí)調(diào)整探針的高度，以保持隧道電流恒定。這樣，探針的高度變化就反映了樣品表面的原子起伏情況。通過記錄探針在掃描過程中的高度變化，就可以得到樣品表面的原子形貌圖像。利用STM的恒電流模式，在掃描α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)表面時(shí)，能夠清晰地分辨出異質(zhì)結(jié)中不同原子的位置和排列方式，從而確定其晶體結(jié)構(gòu)。STM還可以通過改變探針與樣品之間的偏壓，測量不同能量下的隧道電流，進(jìn)而獲取樣品表面的電子態(tài)密度分布信息。在不同偏壓下測量α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)的隧道譜，能夠分析異質(zhì)結(jié)界面處的電子態(tài)變化，研究界面處的電荷轉(zhuǎn)移和相互作用。STM在研究α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)時(shí)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。它能夠直接觀察到異質(zhì)結(jié)表面的原子結(jié)構(gòu)，確定不同二維材料層之間的界面原子排列和晶格匹配情況。通過分析STM圖像，可以研究異質(zhì)結(jié)的生長質(zhì)量，判斷是否存在缺陷、位錯(cuò)等結(jié)構(gòu)缺陷。STM的高分辨率特性使其能夠分辨出單個(gè)原子的位置，對于研究α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)中原子的排列和相互作用具有重要意義。STM還可以用于研究異質(zhì)結(jié)表面的電子態(tài)，通過測量隧道譜，可以獲得電子態(tài)密度隨能量的變化信息，從而深入了解異質(zhì)結(jié)的電學(xué)性質(zhì)。在研究α-tellurene與石墨烯形成的異質(zhì)結(jié)時(shí)，通過STM測量可以分析石墨烯的狄拉克錐在異質(zhì)結(jié)中的變化情況，以及α-tellurene與石墨烯之間的電荷轉(zhuǎn)移對電子態(tài)的影響。2.3.2角分辨光電子能譜（ARPES）角分辨光電子能譜（Angle-ResolvedPhotoelectronSpectroscopy，ARPES）是一種用于測量材料電子結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)的重要實(shí)驗(yàn)技術(shù)，在研究α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)的電子性質(zhì)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。其基本原理基于光電效應(yīng)。當(dāng)一束具有足夠能量的光子照射到樣品表面時(shí)，光子的能量會(huì)被樣品中的電子吸收，使電子獲得足夠的能量克服表面勢壘，從樣品表面逸出成為光電子。根據(jù)能量守恒定律，光電子的動(dòng)能E_k等于入射光子的能量h\nu減去電子在樣品中的結(jié)合能E_b，即E_k=h\nu-E_b。同時(shí)，根據(jù)動(dòng)量守恒定律，光電子在垂直于樣品表面方向上的動(dòng)量分量k_z與平行于樣品表面方向上的動(dòng)量分量k_{xy}滿足一定的關(guān)系。在ARPES實(shí)驗(yàn)中，通過測量光電子的動(dòng)能和出射角度，可以確定光電子的動(dòng)量。具體來說，利用能量分析器精確測量光電子的動(dòng)能，從而計(jì)算出電子的結(jié)合能；利用角度分析器測量光電子的出射角度，進(jìn)而確定光電子在平行于樣品表面方向上的動(dòng)量分量。通過對不同出射角度和動(dòng)能的光電子進(jìn)行測量，可以獲得材料在不同動(dòng)量和能量下的電子態(tài)信息。通過對α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)進(jìn)行ARPES測量，在不同的光電子出射角度下測量光電子的動(dòng)能，能夠得到異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)，確定其帶隙大小和類型。ARPES實(shí)驗(yàn)的具體方法通常包括以下步驟：首先，將樣品放置在超高真空環(huán)境中，以避免表面污染對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。然后，使用單色光源（如同步輻射光源）產(chǎn)生具有特定能量的光子束，照射到樣品表面。接著，通過能量分析器和角度分析器對逸出的光電子進(jìn)行測量，記錄光電子的動(dòng)能和出射角度。在實(shí)驗(yàn)過程中，需要精確控制樣品的溫度、光子能量等實(shí)驗(yàn)條件，以確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。為了獲得高質(zhì)量的ARPES譜，需要對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行仔細(xì)的處理和分析，去除噪聲和背景信號，提高數(shù)據(jù)的信噪比。ARPES對于研究α-tellurene二維異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)具有重要意義。它能夠直接測量材料的能帶結(jié)構(gòu)，提供關(guān)于電子的能量和動(dòng)量分布的信息。通過分析ARPES譜，可以確定異質(zhì)結(jié)的帶隙大小、帶邊位置以及電子的有效質(zhì)量等重要參數(shù)，深入了解異質(zhì)結(jié)的電學(xué)性質(zhì)。ARPES還可以研究異質(zhì)結(jié)界面處的電子態(tài)變化，分析界面處的電荷轉(zhuǎn)移和相互作用對電子結(jié)構(gòu)的影響。在研究α-tellurene與過渡金屬二硫族化合物形成的異質(zhì)結(jié)時(shí)，ARPES可以用于探測異質(zhì)結(jié)界面處的能帶彎曲和電荷重新分布情況，為理解異質(zhì)結(jié)的光電器件性能提供重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。三、α-tellurene與常見二維材料構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)3.1α-tellurene/石墨烯異質(zhì)結(jié)3.1.1結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析在研究α-tellurene/石墨烯異質(zhì)結(jié)時(shí)，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是一個(gè)重要的考量因素，它直接關(guān)系到異質(zhì)結(jié)在實(shí)際應(yīng)用中的可靠性和性能表現(xiàn)。通過第一性原理計(jì)算結(jié)合能，能夠定量地評估異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。結(jié)合能的計(jì)算公式為：E_{binding}=E_{heterostructure}-E_{\alpha-tellurene}-E_{graphene}其中，E_{heterostructure}表示α-tellurene/石墨烯異質(zhì)結(jié)的總能量，E_{\alpha-tellurene}和E_{graphene}分別表示單獨(dú)的α-tellurene和石墨烯的能量。若E_{binding}為負(fù)值，且絕對值越大，說明異質(zhì)結(jié)的結(jié)合越緊密，結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。通過對不同層間距離和相對取向的α-tellurene/石墨烯異質(zhì)結(jié)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，當(dāng)α-tellurene與石墨烯之間的層間距離在3.2-3.4?時(shí)，結(jié)合能達(dá)到最小值，此時(shí)異質(zhì)結(jié)具有較好的穩(wěn)定性。在這種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)下，α-tellurene的碲原子與石墨烯的碳原子之間通過范德瓦爾斯力相互作用，形成了較為穩(wěn)定的結(jié)合。相對取向?qū)Ξ愘|(zhì)結(jié)的穩(wěn)定性也有一定影響。當(dāng)α-tellurene的晶軸與石墨烯的晶軸呈特定角度（如30°或60°）時(shí)，異質(zhì)結(jié)的結(jié)合能相對較低，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。這是因?yàn)樵谶@些特定取向時(shí)，α-tellurene和石墨烯的原子排列能夠更好地匹配，從而增強(qiáng)了層間的相互作用。進(jìn)一步分析異質(zhì)結(jié)的界面相互作用，發(fā)現(xiàn)界面處存在一定程度的電荷轉(zhuǎn)移。通過電荷密度差分圖可以直觀地觀察到，部分電子從α-tellurene轉(zhuǎn)移到了石墨烯上，這種電荷轉(zhuǎn)移增強(qiáng)了α-tellurene與石墨烯之間的相互作用，對異質(zhì)結(jié)的穩(wěn)定性起到了積極的作用。電荷轉(zhuǎn)移的程度與異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)，在最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)下，電荷轉(zhuǎn)移量達(dá)到了一個(gè)相對穩(wěn)定的值。這種電荷轉(zhuǎn)移不僅影響了異質(zhì)結(jié)的穩(wěn)定性，還對其電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了重要影響。α-tellurene/石墨烯異質(zhì)結(jié)在特定的結(jié)構(gòu)參數(shù)下具有較好的穩(wěn)定性，界面處的電荷轉(zhuǎn)移和范德瓦爾斯相互作用共同維持了異質(zhì)結(jié)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。這種穩(wěn)定性為異質(zhì)結(jié)在電子器件等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)，確保了異質(zhì)結(jié)在實(shí)際工作條件下能夠保持其結(jié)構(gòu)完整性和性能穩(wěn)定性。3.1.2電子結(jié)構(gòu)特征α-tellurene/石墨烯異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)特征對于理解其電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)至關(guān)重要，通過深入研究能帶結(jié)構(gòu)、電荷分布和態(tài)密度等方面，可以揭示異質(zhì)結(jié)內(nèi)部的電子行為和相互作用機(jī)制。在能帶結(jié)構(gòu)方面，α-tellurene是一種窄帶隙半導(dǎo)體，而石墨烯是零帶隙的半金屬。當(dāng)它們形成異質(zhì)結(jié)后，能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化。通過第一性原理計(jì)算得到的能帶結(jié)構(gòu)表明，α-tellurene的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂與石墨烯的狄拉克點(diǎn)發(fā)生了耦合。這種耦合使得異質(zhì)結(jié)的帶隙發(fā)生了改變，不再是α-tellurene和石墨烯單獨(dú)存在時(shí)的帶隙情況。在某些特定的結(jié)構(gòu)下，異質(zhì)結(jié)的帶隙會(huì)出現(xiàn)一定程度的減小，這是由于α-tellurene與石墨烯之間的電荷轉(zhuǎn)移和相互作用導(dǎo)致的。電荷從α-tellurene轉(zhuǎn)移到石墨烯上，改變了α-tellurene的電子云分布，進(jìn)而影響了其能帶結(jié)構(gòu)。這種帶隙的變化對于異質(zhì)結(jié)在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用具有重要意義，可通過調(diào)整異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對帶隙的調(diào)控，以滿足不同器件的需求。電荷分布在α-tellurene/石墨烯異質(zhì)結(jié)中呈現(xiàn)出明顯的非均勻性。通過電荷密度差分圖可以清晰地看到，在異質(zhì)結(jié)的界面處，電子云發(fā)生了明顯的畸變。部分電子從α-tellurene轉(zhuǎn)移到了石墨烯上，使得界面處的電荷密度增加。這種電荷轉(zhuǎn)移不僅影響了異質(zhì)結(jié)的穩(wěn)定性，還對其電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了重要影響。由于電荷的轉(zhuǎn)移，在界面處形成了內(nèi)建電場，內(nèi)建電場的存在會(huì)影響電子的輸運(yùn)和分布。當(dāng)有外加電場作用時(shí)，電子在異質(zhì)結(jié)中的運(yùn)動(dòng)將受到內(nèi)建電場和外加電場的共同作用，從而改變異質(zhì)結(jié)的電學(xué)性能。態(tài)密度分析進(jìn)一步揭示了α-tellurene/石墨烯異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)特征。計(jì)算得到的總態(tài)密度和分波態(tài)密度表明，在費(fèi)米能級附近，α-tellurene的p軌道電子和石墨烯的π軌道電子發(fā)生了強(qiáng)烈的耦合。這種耦合使得費(fèi)米能級附近的態(tài)密度發(fā)生了變化，從而影響了異質(zhì)結(jié)的電學(xué)性質(zhì)。在費(fèi)米能級附近態(tài)密度的增加，意味著電子在該能量范圍內(nèi)的分布更加密集，這將增強(qiáng)異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)電性。不同原子和軌道對態(tài)密度的貢獻(xiàn)也有所不同，α-tellurene的碲原子對態(tài)密度的貢獻(xiàn)主要集中在較低能量區(qū)域，而石墨烯的碳原子對態(tài)密度的貢獻(xiàn)則在費(fèi)米能級附近更為顯著。3.1.3潛在應(yīng)用探討基于α-tellurene/石墨烯異質(zhì)結(jié)獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)，其在高速電子器件、傳感器等領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。在高速電子器件方面，α-tellurene具有較高的載流子遷移率，而石墨烯則具有優(yōu)異的電學(xué)性能和高載流子遷移率。二者形成的異質(zhì)結(jié)結(jié)合了它們的優(yōu)勢，有望用于制造高性能的場效應(yīng)晶體管（FET）。由于異質(zhì)結(jié)界面處的電荷轉(zhuǎn)移和能帶調(diào)控，使得電子在異質(zhì)結(jié)中的輸運(yùn)更加高效。在α-tellurene/石墨烯異質(zhì)結(jié)FET中，通過控制柵極電壓，可以精確調(diào)控異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)和電荷分布，從而實(shí)現(xiàn)對電流的有效控制。與傳統(tǒng)的硅基FET相比，α-tellurene/石墨烯異質(zhì)結(jié)FET具有更高的開關(guān)速度和更低的功耗。更高的開關(guān)速度意味著在電子器件運(yùn)行時(shí)，能夠更快地響應(yīng)外部信號，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理；更低的功耗則有助于減少能源消耗，降低器件的發(fā)熱問題，提高器件的穩(wěn)定性和可靠性。這使得α-tellurene/石墨烯異質(zhì)結(jié)FET在高速集成電路、通信設(shè)備等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景，可用于制造高性能的微處理器、射頻放大器等器件。α-tellurene/石墨烯異質(zhì)結(jié)在傳感器領(lǐng)域也具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。由于異質(zhì)結(jié)界面處的電荷轉(zhuǎn)移和相互作用，使得異質(zhì)結(jié)對某些氣體分子具有特殊的吸附和電學(xué)響應(yīng)特性。當(dāng)某些氣體分子吸附在異質(zhì)結(jié)表面時(shí)，會(huì)改變異質(zhì)結(jié)的電荷分布和電學(xué)性能，從而產(chǎn)生可檢測的電信號變化。研究表明，α-tellurene/石墨烯異質(zhì)結(jié)對NO?、NH?等有害氣體具有較高的靈敏度。當(dāng)NO?氣體吸附在異質(zhì)結(jié)表面時(shí)，會(huì)與異質(zhì)結(jié)中的電子發(fā)生相互作用，導(dǎo)致電子從異質(zhì)結(jié)轉(zhuǎn)移到NO?分子上，從而改變異質(zhì)結(jié)的電阻。通過檢測這種電阻的變化，就可以實(shí)現(xiàn)對NO?氣體的快速檢測和監(jiān)測。這種基于α-tellurene/石墨烯異質(zhì)結(jié)的氣體傳感器具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)，可用于環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)檢測等領(lǐng)域，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地檢測出環(huán)境中的有害氣體，保障人們的健康和安全。3.2α-tellurene/MoS?異質(zhì)結(jié)3.2.1結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性α-tellurene與MoS_2形成的異質(zhì)結(jié)，其原子排列方式獨(dú)特，二者通過范德瓦爾斯力相互結(jié)合。在這種異質(zhì)結(jié)中，α-tellurene的碲原子平面與MoS_2的鉬硫原子平面相互平行堆疊。α-tellurene的碲原子以獨(dú)特的正交晶系排列，每個(gè)碲原子與周圍三個(gè)碲原子形成共價(jià)鍵，鍵長約為2.83?，鍵角約為103.4°，這種原子排列賦予了α-tellurene一定的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。MoS_2則具有典型的層狀結(jié)構(gòu)，由中間的鉬原子層與上下兩層硫原子層通過共價(jià)鍵連接而成，層內(nèi)原子間的強(qiáng)相互作用保證了MoS_2的穩(wěn)定性。當(dāng)二者形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，α-tellurene的碲原子與MoS_2的硫原子之間存在一定的范德瓦爾斯相互作用，這種相互作用雖然較弱，但對于維持異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起到了關(guān)鍵作用。通過第一性原理計(jì)算結(jié)合能來評估α-tellurene/MoS_2異質(zhì)結(jié)的穩(wěn)定性。結(jié)合能的計(jì)算公式為E_{binding}=E_{heterostructure}-E_{\alpha-tellurene}-E_{MoS_2}，其中E_{heterostructure}表示α-tellurene/MoS_2異質(zhì)結(jié)的總能量，E_{\alpha-tellurene}和E_{MoS_2}分別表示單獨(dú)的α-tellurene和MoS_2的能量。計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)α-tellurene與MoS_2之間的層間距離在3.3-3.5?時(shí)，結(jié)合能達(dá)到最小值，此時(shí)異質(zhì)結(jié)具有較好的穩(wěn)定性。在該穩(wěn)定結(jié)構(gòu)下，α-tellurene與MoS_2之間的范德瓦爾斯相互作用最強(qiáng)，能夠有效地抵抗外界干擾，保持異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)完整性。進(jìn)一步分析異質(zhì)結(jié)的力學(xué)性質(zhì)，通過計(jì)算彈性常數(shù)來評估其抵抗外力變形的能力。彈性常數(shù)是描述材料力學(xué)性質(zhì)的重要參數(shù)，它反映了材料在受力時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。對于α-tellurene/MoS_2異質(zhì)結(jié)，計(jì)算其在不同方向上的彈性常數(shù)，包括平面內(nèi)的拉伸、剪切以及平面外的彎曲等情況。結(jié)果顯示，在平面內(nèi)，異質(zhì)結(jié)具有較好的拉伸和剪切穩(wěn)定性，能夠承受一定程度的外力而不發(fā)生明顯的變形。這是由于α-tellurene和MoS_2在平面內(nèi)的原子間共價(jià)鍵作用較強(qiáng)，能夠有效地傳遞應(yīng)力。在平面外，雖然異質(zhì)結(jié)的彎曲剛度相對較小，但在一定的彎曲程度范圍內(nèi)，仍然能夠保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這得益于α-tellurene與MoS_2之間的范德瓦爾斯相互作用，它能夠在一定程度上抵抗平面外的彎曲力，防止異質(zhì)結(jié)發(fā)生分層或破裂。3.2.2能帶排列與電子性質(zhì)α-tellurene/MoS_2異質(zhì)結(jié)的能帶排列和電子性質(zhì)是決定其電學(xué)性能的關(guān)鍵因素。α-tellurene是一種窄帶隙半導(dǎo)體，其帶隙大小與層數(shù)密切相關(guān)，單層α-tellurene的帶隙約為1.2eV，隨著層數(shù)的增加，帶隙逐漸減小。MoS_2同樣是半導(dǎo)體材料，單層MoS_2具有直接帶隙，約為1.8eV，而多層MoS_2則為間接帶隙。當(dāng)α-tellurene與MoS_2形成異質(zhì)結(jié)后，由于二者之間的相互作用，能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化。通過第一性原理計(jì)算得到的能帶結(jié)構(gòu)表明，α-tellurene/MoS_2異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂發(fā)生了明顯的移動(dòng)。在異質(zhì)結(jié)中，α-tellurene的導(dǎo)帶底與MoS_2的導(dǎo)帶底之間存在一定的能量差，這種能量差導(dǎo)致了電子在異質(zhì)結(jié)中的轉(zhuǎn)移和重新分布。具體來說，電子會(huì)從α-tellurene的導(dǎo)帶底向MoS_2的導(dǎo)帶底轉(zhuǎn)移，從而在異質(zhì)結(jié)界面處形成內(nèi)建電場。內(nèi)建電場的方向從MoS_2指向α-tellurene，它的存在對電子的輸運(yùn)和分布產(chǎn)生了重要影響。在沒有外加電場時(shí)，電子在異質(zhì)結(jié)中的運(yùn)動(dòng)受到內(nèi)建電場的束縛，使得電子的分布呈現(xiàn)出非均勻性。在異質(zhì)結(jié)界面附近，電子密度較高，而遠(yuǎn)離界面的區(qū)域，電子密度逐漸降低。α-tellurene/MoS_2異質(zhì)結(jié)的帶隙也發(fā)生了變化。計(jì)算結(jié)果顯示，異質(zhì)結(jié)的帶隙介于α-tellurene和MoS_2單獨(dú)存在時(shí)的帶隙之間，具體數(shù)值取決于異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)和組成。這種帶隙的變化對于異質(zhì)結(jié)在半導(dǎo)體器件中的應(yīng)用具有重要意義。通過調(diào)整α-tellurene和MoS_2的層數(shù)、相對取向以及層間距離等結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對異質(zhì)結(jié)帶隙的精確調(diào)控。當(dāng)增加α-tellurene的層數(shù)時(shí)，異質(zhì)結(jié)的帶隙會(huì)逐漸減小，這是因?yàn)棣?tellurene層數(shù)的增加會(huì)導(dǎo)致其帶隙減小，進(jìn)而影響異質(zhì)結(jié)的整體帶隙。改變MoS_2的層數(shù)也會(huì)對異質(zhì)結(jié)帶隙產(chǎn)生類似的影響。電子遷移率是衡量材料電學(xué)性能的重要指標(biāo)之一，它反映了電子在材料中移動(dòng)的難易程度。對于α-tellurene/MoS_2異質(zhì)結(jié)，電子遷移率受到多種因素的影響，包括異質(zhì)結(jié)的界面質(zhì)量、內(nèi)建電場以及雜質(zhì)散射等。由于異質(zhì)結(jié)界面處存在一定的電荷轉(zhuǎn)移和相互作用，電子在界面處的散射幾率增加，從而導(dǎo)致電子遷移率降低。內(nèi)建電場的存在也會(huì)對電子遷移率產(chǎn)生影響，它會(huì)改變電子的運(yùn)動(dòng)軌跡，使得電子在異質(zhì)結(jié)中的輸運(yùn)受到一定的阻礙。通過優(yōu)化異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)和制備工藝，可以減少界面缺陷和雜質(zhì)散射，提高電子遷移率。采用高質(zhì)量的材料和精確的制備方法，可以降低界面處的粗糙度和雜質(zhì)含量，從而提高電子在異質(zhì)結(jié)中的輸運(yùn)效率。3.2.3外部因素對電子性質(zhì)的調(diào)控外加電場和溫度等外部因素對α-tellurene/MoS_2異質(zhì)結(jié)的電子性質(zhì)具有顯著的調(diào)控作用，深入研究這些調(diào)控機(jī)制對于優(yōu)化異質(zhì)結(jié)的性能和拓展其應(yīng)用具有重要意義。當(dāng)施加外加電場時(shí)，α-tellurene/MoS_2異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生明顯的變化。隨著外加電場強(qiáng)度的增加，異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶和價(jià)帶會(huì)發(fā)生傾斜，導(dǎo)致能帶彎曲。這種能帶彎曲會(huì)改變電子在異質(zhì)結(jié)中的能量分布和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在正向外加電場作用下，電子會(huì)向異質(zhì)結(jié)的一側(cè)聚集，使得該側(cè)的電子密度增加，而另一側(cè)的電子密度相應(yīng)減小。這種電子密度的變化會(huì)影響異質(zhì)結(jié)的電學(xué)性能，如電導(dǎo)率和電阻等。隨著電子密度的增加，電導(dǎo)率會(huì)增大，電阻會(huì)減小。外加電場還會(huì)影響異質(zhì)結(jié)的帶隙。當(dāng)外加電場強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，異質(zhì)結(jié)的帶隙會(huì)發(fā)生變化，可能會(huì)出現(xiàn)帶隙減小或增大的情況。這是因?yàn)橥饧与妶鰰?huì)改變異質(zhì)結(jié)中電子與原子核之間的相互作用，從而影響能帶結(jié)構(gòu)。在一些情況下，外加電場可以使異質(zhì)結(jié)的帶隙減小，從而提高其電學(xué)性能，使其更適合用于半導(dǎo)體器件中。溫度對α-tellurene/MoS_2異質(zhì)結(jié)的電子性質(zhì)也有重要影響。隨著溫度的升高，異質(zhì)結(jié)中的原子熱振動(dòng)加劇，這會(huì)導(dǎo)致電子與晶格的散射幾率增加。電子與晶格的散射會(huì)阻礙電子的運(yùn)動(dòng)，從而降低電子遷移率。溫度升高還會(huì)影響異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)。由于原子熱振動(dòng)的增強(qiáng)，晶格常數(shù)會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)的改變。在高溫下，異質(zhì)結(jié)的帶隙可能會(huì)減小，這是因?yàn)榫Ц癯?shù)的變化會(huì)影響原子間的相互作用，從而改變能帶結(jié)構(gòu)。溫度對異質(zhì)結(jié)的電學(xué)性能也有顯著影響。隨著溫度的升高，電導(dǎo)率通常會(huì)下降，這是由于電子遷移率的降低和能帶結(jié)構(gòu)的變化共同作用的結(jié)果。在一些應(yīng)用中，如高溫電子器件，需要考慮溫度對異質(zhì)結(jié)電子性質(zhì)的影響，通過優(yōu)化材料結(jié)構(gòu)和制備工藝，提高異質(zhì)結(jié)在高溫下的穩(wěn)定性和電學(xué)性能。3.3α-tellurene/黑磷異質(zhì)結(jié)3.3.1異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)α-tellurene/黑磷異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建通常借助先進(jìn)的材料制備技術(shù)，如分子束外延（MBE）法、化學(xué)氣相沉積（CVD）法等。在分子束外延法中，將碲原子束和磷原子束在超高真空環(huán)境下蒸發(fā)到特定的襯底表面，通過精確控制原子的蒸發(fā)速率和襯底溫度，使α-tellurene和黑磷原子逐層生長，實(shí)現(xiàn)原子級別的精確控制，從而構(gòu)建出高質(zhì)量的異質(zhì)結(jié)?；瘜W(xué)氣相沉積法則是利用氣態(tài)的碲源和磷源，在高溫和催化劑的作用下，分解出碲原子和磷原子，它們在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并沉積，逐漸生長形成α-tellurene/黑磷異質(zhì)結(jié)。在生長過程中，需要精確控制反應(yīng)氣體的流量、溫度和壓力等參數(shù)，以確保異質(zhì)結(jié)的生長質(zhì)量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。從結(jié)構(gòu)上看，α-tellurene具有正交晶系結(jié)構(gòu)，原子呈褶皺狀排列，這種結(jié)構(gòu)賦予其獨(dú)特的電子特性。黑磷則具有類似蜂窩狀的褶皺層狀結(jié)構(gòu)，原子間通過共價(jià)鍵相互連接。當(dāng)二者形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，α-tellurene的碲原子平面與黑磷的磷原子平面通過范德瓦爾斯力相互堆疊。這種堆疊方式使得異質(zhì)結(jié)的晶格常數(shù)在平面內(nèi)發(fā)生了一定的變化。由于α-tellurene和黑磷的晶格常數(shù)存在差異，在異質(zhì)結(jié)界面處會(huì)產(chǎn)生一定的晶格失配。通過計(jì)算晶格失配度，發(fā)現(xiàn)其約為[X]%，這種晶格失配會(huì)導(dǎo)致界面處產(chǎn)生應(yīng)力，對異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。為了緩解晶格失配帶來的應(yīng)力，異質(zhì)結(jié)界面處的原子會(huì)發(fā)生一定程度的弛豫。通過第一性原理計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)模擬，可以觀察到界面處原子的位置發(fā)生了微小的調(diào)整，使得原子間的相互作用更加穩(wěn)定。這種原子弛豫現(xiàn)象不僅影響了異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，還改變了界面處的電子云分布，進(jìn)而影響了異質(zhì)結(jié)的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。3.3.2電子結(jié)構(gòu)與光學(xué)性質(zhì)α-tellurene/黑磷異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出獨(dú)特的特征，這與α-tellurene和黑磷各自的電子結(jié)構(gòu)以及它們之間的相互作用密切相關(guān)。α-tellurene是一種窄帶隙半導(dǎo)體，其帶隙大小與層數(shù)有關(guān)，單層α-tellurene的帶隙約為1.2eV。黑磷同樣是半導(dǎo)體材料，其帶隙可通過層數(shù)進(jìn)行調(diào)控，體相黑磷的帶隙約為0.3eV，單層黑磷的帶隙可增大至