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系統識別號 U0002-1308201812302000
中文論文名稱 第一原理激發計算Ⅳ-Ⅵ族半導體光學偏振響應與層數相依之能隙調制
英文論文名稱 The first-principles excited-state study on polarization dependent of optical response and layer-controlled band gap of layered IV-VI semiconductors
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 物理學系碩士班
系所名稱(英) Department of Physics
學年度 106
學期 2
出版年 107
研究生中文姓名 潘昱中
研究生英文姓名 Yu-Chung Pan
學號 604210152
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2018-06-26
論文頁數 47頁
口試委員 指導教授-薛宏中
委員-杜昭宏
委員-何清華
中文關鍵字 少層  GW+BSE計算  偏振響應  激子 
英文關鍵字 few-layer  GW+BSE calculation  polarization dependence  exciton 
學科別分類 學科別自然科學物理
中文摘要 近年來單層黑磷材料相當熱門,因其擁有特殊的電子結構與光學性質。有鑑於此,本論文將研究晶體結構與黑磷相似的Ⅳ-Ⅵ族層狀半導體,在不同層數的條件下,其電子和光學性質有獨特的多電子效應。其中,Ⅳ-Ⅵ族層狀半導體的電子結構中,明顯有兩種迥異之鍵結形式(armchair方向和zigzag方向);因此,相應於不同方向之偏振入射光,將會有不相同的光學吸收。因此,此類型Ⅳ-Ⅵ族層狀半導體,可以應用於線性偏振器之電子元件應用。本論文計算採用第一原理激發態GW+BSE計算,計算電子結構和少層Ⅳ-Ⅵ族層狀半導體不同極化入射光的響應。計算結果顯示:我們可以藉由改變堆疊數目來調整此類層狀材料對於光吸收的強偏振性,能隙大小、激子的結合能和光吸收譜,進而有效的處理層狀材料的激發態特性。
英文摘要 Sharing with the same bulk-like flake crystal structure of black phosphorus, IV-VI semiconductors exhibits unique many-electron effects in its electronic and optical properties. Few-layer IV-VI semiconductors absorbs light polarized along the structural armchair direction and is transparent to light polarized along the zigzag direction, making them potentially viable linear polarized for applications. In this work, we employ first-principles excitation calculations based on the combined GW+BSE approach to explore the electronic structure and optical response with respect to different polarizations of few-layer IV-VI semiconductors. In addition to the strong polarization dependence of the optical absorption spectra, the band gap, excitation binding energies and optical absorption spectrum of IV-VI semiconductors can also be broadly tuned by changing the number of stacked layers. This scenario serves as a convenient and efficient method for engineering the layered material’s excited-state properties.
論文目次 目錄
第一章導論 1
1-1 研究動機 1
1-2 結構與晶格常數的選擇 2
第二章計算方法與理論 4
基本假設 4
2-1 基態計算 5
2-1-1 密度泛函理論[1] 5
Born-Oppenheimer 近似法[2] 5
Hohenberg-Kohn 理論[3] 6
Kohn-Sham 理論[4] 6
交換相干能 8
K-points sampling 9
有限平面波 10
2-2 激發態計算[7] 12
2-2-1 準粒子GW近似 12
準粒子[8] 12
格林函數G[9] 13
Hedin方程式和GW近似[10,11,12] 15
2-2-2 Bethe-Salpeter 方程式[14] 17
激子效應 17
Bethe-Salpeter方程式和電子-電洞相互作用[14] 18
第三章Ⅳ-Ⅵ族半導體少層結構 20
3-1 基態電子能帶結構 20
3-2 GW修正之電子能帶結構 24
第四章Ⅳ-Ⅵ族半導體能量吸收強度與偏振響應 29
4-1 能量與吸收強度關係 29
4-2偏振響應相關圖 35
第五章結論 45
參考資料 47

圖目錄
圖1-2.1原子位置模型 2
圖1-2.2能帶結構(左圖為實驗值,右圖為理論值) 2
圖2-2-1.1相互作用譜函數示意圖 14
圖2-2-2.1激子效應示意圖 17
圖3-1.1少層GeSe DFT能帶結構圖 21
圖3-1.2少層SnSe DFT能帶結構圖 22
圖3-1.3少層SnS DFT能帶結構圖 23
圖3-2.1單層GeSe GW修正之能帶結構 24
圖3-2.2少層GeSe GW修正之能帶結構圖 25
圖3-2.3少層SnSe GW修正之能帶結構圖 26
圖3-2.4少層SnS GW修正之能帶結構圖 27
圖4-1.1單層GeSe吸收光譜圖(紅線為考慮激子作用,綠線為不考慮激子作用) 30
圖4-1.2少層GeSe吸收光譜圖(紅線為考慮激子作用,綠線為不考慮激子作用) 31
圖4-1.3少層SnSe吸收光譜圖(紅線為考慮激子作用,綠線為不考慮激子作用) 33
圖4-1.4少層SnS吸收光譜圖(紅線為考慮激子作用,綠線為不考慮激子作用) 34
圖4-2.1單層GeSe偏振吸收光譜圖(不同顏色表示不同角度的偏振入射光) 36
圖4-2.2少層GeSe偏振吸收光譜圖(不同顏色表示不同角度的偏振入射光) 38
圖4-2.3少層SnSe偏振吸收光譜圖(不同顏色表示不同角度的偏振入射光) 39
圖4-2.4少層SnS偏振吸收光譜圖(不同顏色表示不同角度的偏振入射光) 41
圖4-2.5單層與塊材GeSe偏振激子震盪強度(紅色為理論計算值,藍色為模型函數) 42
圖4-2.6單層與塊材SnSe偏振激子震盪強度(紅色為理論計算值,藍色為模型函數) 43
圖4-2.7單層與塊材SnS偏振激子震盪強度(紅色為理論計算值,藍色為模型函數) 44

表目錄
表3-1.1理論晶格常數 21
表3-1.2 DFT能隙大小 23
表3-2.1 DFT/GW能隙 27
表4-1.1少層GeSe第一吸收峰值能量 32
表4-1.2少層SnSe第一吸收峰值能量 34
表4-1.3少層SnS第一吸收峰值能量 35

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