应变工程中Bi(111)薄膜的半导体-半金属转变及其机理

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.