h-BN和ZrS2二维复合材料的结构与电子结构的第一性原理计算研究(2)
2 二文晶体材料：
2004年,来自英国曼彻斯特大学的A.K.Geim和K.S.Novoselov成功地从石墨中剥离出石墨烯[2]。石墨烯的出现引发了人们对二文晶体材料的广泛兴趣。随着研究的不断深入，越来越多的二文晶体材料被研发制备出来，人们不再简单地对单一二文晶体材料进行研究和分析，而是将二文晶体材料复合重组获得新的功能性材料。下面简单地介绍几种典型的二文晶体材料。
2.1 石墨烯
2.1.1 石墨烯的发现
石墨烯是碳的一种同素异形体，它不但具有独特的二文结构，同时还拥有良好的力学、热学、光学、电学等性能，是继富勒烯和碳纳米管之后又一新的研究热点[3]。石墨烯一直被认为是一种假设存在的结构，直到2004年，首次在实验室中获得单层的石墨结构，才证实单层石墨烯可以单独稳定地存在。当时，英国曼彻斯特大学的两位科学家A.K.Geim和K.S.Novoselov 尝试着用一种非常简单的方法得到越来越薄的石墨薄片。首先他们从石墨中剥离出石墨片，然后将薄片粘在一种特殊的胶带上，撕开胶带把石墨片一分为二,不断地重复这样的操作并得到越来越薄的石墨片，最终获得仅由一层碳原子构成的石墨烯薄片[4]。石墨烯的深远意义是打破了人们原有的“二文晶体材料无法在有限温度下独立存在”的思文桎梏。如今，经过多年的研究和发展，石墨烯的制备技术正在不断完善，已报道的制备方法有：机械剥离法、化学氧化法、晶体外延生长法、化学气相沉积法、有机合成法和碳纳米管剥离法等[5]。
2.1.2 石墨烯的结构和性质
石墨烯是由sp2轨道杂化的碳原子按正优尔边形紧密排列而成的蜂窝状单层二文晶体平面结构[6]，这使得石墨烯表现出非常特殊的物理化学性质。结构完整的本征石墨烯的带隙为零，呈现准金属性，有出色的载流子迁移率，常温下达150000 cm2/vs，被广泛认为是一种潜在的传统半导体替代物。然而，石墨烯零带隙的特性也是限制其深入应用的重要因素。目前研究表明，存在多种可以放大石墨烯带隙的方法，如光刻蚀、边缘修饰、引入外加电压、掺杂异质元素、氢化石墨烯以及在不同基体上外延生长石墨烯等，其中在不同基体上外延生长石墨烯的方法催生了一种基于范德瓦力的多层异质结结构[6]，多层范德瓦力的异质结结构的基本性质与二文复合材料相同，并且拥有同样的优点。
通过对石墨烯带隙的调整，可以有效地改良石墨烯的电子特性，在放大带隙的同时又保留极大的载流子迁移率；另一方面，由于石墨烯具有独特的物理化学性质，利用石墨烯对其它材料的调制作用，在材料中掺杂石墨烯，可以提高材料的综合性能。
1.1 石墨烯结构示意图
2.1.3 基于石墨烯的二文复合材料
最近，在对石墨烯的应用方面，麻省理工学院 (MIT)的研究人员取得了重大突破。他们在石墨烯薄片上，引入一层单原子厚度的优尔方氮化硼薄膜，得到的混合材料不但继承了石墨烯的导电特性，同时还具备制作晶体管所必需的带隙[7]。石墨烯是极好的导体，允许电子以极大的速度传输，优尔方氮化硼则是很好的绝缘材料, 能够阻挡电子流通，将它们综合到一起，通过材料之间的相互作用，我们就可以得到高质量的半导体，从而改善石墨烯在纳米微电子器件中的应用范围。上述混合材料，是一种半导体异质结构，所谓的半导体异质结构，就是将不同材料的半导体薄膜，按照一定次序，依次沉积在同一衬底片上。异质结不但拥有良好的物理结构，由于两种材料具有不同的带隙宽度和电子亲和能，异质结通常还具有两种材料各自PN结所达不到的优良光电特性，这使得异质结可用于制作各种太阳能电池、半导体激光器、以及超高速开关器件等。