应变工程中Bi(111)薄膜的半导体-半金属转变及其机理

作者：任师浩; 刘永利^*; 孟凡顺; 祁阳

来源：金属学报, 2022, 58(07): 911-920.

• Bi薄膜
• 应变
• 能带结构
• 第一性原理方法

基于第一性原理，系统研究了不同层数Bi(111)薄膜的几何结构和能带性质，以及双轴应变对Bi(111)薄膜结构与电学性能的调控作用。研究结果表明：Bi(111)薄膜的几何结构以及能带性质具有厚度依赖性。随着厚度的增加，薄膜晶格常数增大，屈曲高度降低，表面能增加，带隙减小，并在3个双层时由半导体性质转变为半金属性质；对1个双层Bi(111)薄膜施加拉伸应变，可诱发间接带隙到直接带隙的转变以及能带反转；施加压缩应变可诱发半导体到半金属性质的转变，通过近带边电子轨道的成键性质分析，揭示了成键态和反键态对应变的不同响应速率，引起了导带底的转移，从而导致了半导体到半金属转变。类似的半导体到半金属转变也可在应变作用下的2～5个双层厚Bi(111)薄膜中预测到。应变也可调节Bi(111)薄膜的电子和空穴的有效质量，从而可能影响薄膜传输特性。

• 单位
  辽宁科技大学; 东北大学