本书主要介绍二维半导体物理的国际研究近况和本书作者最近的研究成果，着重在物理方面，内容包括二维半导体的结构、电子态、第一性原理计算方法、紧束缚方法、声子谱、光学性质、输运性质、缺陷态、磁性二维半导体、催化作用等。每一章开始先简单介绍三维半导体的有关性质和理论，读者可以比较三维和二维的差别和相同之处。 本书适用于高等学校固体物理专业的高年级本科生和研究生，以及从事相关领域的研究人员。

第1章晶体结构和能带
　　1.1氮化硼
　　这里使用基于密度泛函理论（DFT）的第一原理，利用投影缀加平面波（PAW）和广义梯度近似（GGA），以及PW91软件包计算能带。氮化硼（BN）的原子排列和二维能带、态密度如图1.1所示。图1.1（a）右图是总电荷密度分布pBN和电荷密度差Pbn_Pb-Pn，其中Pb、Pn分别是棚（B）和氣（N）的平均电荷密度。由图1.1（a）可见，电荷都由B原子转移到N原子，按照Lowdin分析，电荷转移量为AQ=0.429个电子，因此它们之间的键是离子型的。图1.1（b）左图是能带图，B-pz态和N-pz态形成成键态和反键态，打开了能隙。右图是N和B的分波态密度，实线是总态密度（DOS）。红色是s电子的贡献，绿色是p电子的贡献。由图可见，N的价带和B的导带主要由p电子构成，而*下面的价带则由s电子构成。计算中取a1=a2=2.5ll人，得到能隙Ｅg=4.64eV（间接）。
　　1.2黑磷间
　　白磷的分子式为P4，分子中的原子构成一个四面体，具有6个键，与每个磷原子近邻的有3个键，还有一个单独的悬键。3个键和一个悬键由3s和3p原子轨道的杂化产生。一般地，对这种杂化，键和悬键形成109.5°角。但是由于P4的分子结构，键之间的角是60°，这样小的角度产生应变，导致了白磷的不稳定性。
　　由于sp3杂化，黑憐（black　phosphorus，BP）的原子排列不是平面的，而是皱曲的，如图1.2所示。元胞取顶层4个相同的相邻原子（红色）组成，因此一个元胞中包括1个顶层原子（红色）和2个底层原子（蓝色）。
　　用基于密度泛函理论的第一原理计算黑磷的能带，结果如图1.3所示。由图可见，黑憐是一个直接带隙或近似直接带隙的半导体，导带底在r点，而价带顶在r点附近的r-Y方向上，如图1.3（c）所示，价带顶位于0.06X2JTAV其中ay是y方向的晶格常数，带隙为0.8eV。
　　1.3砷烯和锑烯
　　砷（As）的体材料（灰砷）本来就是一种层状材料，它的晶体结构如图l.4（a）、（b）所示，它的层间距离、键长和键角分别为2.04A、2.49A和97.27°。砷烯（arsenene）就是其中的一层，由于晶格畸变，相应的键长和角度分别为2.45A和92.54°，铺烯（antimonene）也有类似的畸变。
　　图1.4（c）、（d）分别是单层砷烯的顶视图和侧视图，它不是平面的，而是皱曲的，原子分2层排列，层之间距离为d=1.35A，原子是六角排列的，但不在一个平面上。图1.4（c）中圆圈画的6个原子排列如图1.4（d）所示。
　　由于体砷的结构类似于石墨，而石墨烯就能在SiC或金属表面上生长和剥离，所以预计砷烯或者锑烯也能用类似的方法生长。
　　图1.5⑷～（c）分别是3层、2层和单层砷烯的能带图，（d）～（f）分别是3层、2层和单层锑烯的能带图。它们*大的差别是带隙：3层、2层和单层砷烯的带隙分别是0eV、0.37eV和2.49eV；3层、2层和单层锑烯的带隙分别是0eV、0eV和2.28eV。所以单层的砷烯和锑烯都由金属变成了宽禁带半导体，但其是间接能隙。
　　1.4　MX2（M=Mo，W;X=S，Se）
　　mx2是一种由mx2单层组成的层状半导体，单层之间由范德瓦耳斯力结合，具有间接带隙1.29eV。由于层与层之间相对弱的相互作用，以及层内的强相互作用，所以可以像石墨烯一样，用机械剥离的方法制造单层。
　　图1.6是MX2单层原子排列的顶视图和侧视图，绿色是M原子，黄色是X原子。从顶视图看是六角排列，实线菱形是元胞。
　　图1.6MX2单层原子排列的（a）顶视图和（b）侧视图
　　图1.7是第一原理方法计算的4种MX2单层材料的能带，由图可见，4种单层材料都是直接带隙，带隙分别为1.54eV，1.45eV，1.82eV，1.67eV。
　　1.5　VX2（X=S，Se和Te）
　　钒（V）是铁磁金属，因此vx2具有铁磁性。它也是层状化合物，类似于mx2。单层VX2原子排列的顶视图和侧视图如图1.8所示。蓝色是V原子，黄色是X原子。元胞基矢为a和6。VS2、VSe2和VTe2的晶格常数分别为3.173A、3.325A和3.587A。
　　这里用各种第一原理方法GW、GGA、GGA+U、HSE（Heyd-Scuseria-Ernzerhof）计算了单层VX2的能带，如图1.9所示。它们是自旋极化的，分多数自旋（自旋向上，蓝色）和少数自旋（自旋向下，红色）。计算得到的带隙各不相同，由HSE方法计算的3种单层化合物的带隙分别为1.110eV、1.150eV和0.560eV，如图1.9⑷～（f）中的紫色星号表示。

目录　
前言　
第1章　晶体结构和能带　1　
1.1　氮化硼　1　
1.2　黑磷　2　
1.3　砷烯和锑烯　3　
1.4　MX2（M=Mo，W;X=S，Se）　5　
1.5　VX2（X=S，Se和Te）　6　
1.6　SnX2（X=S，Se）　8　
1.7　MX（M=Sn，Ge;X=S，Se）　9　
1.8　ReX2（X=S，Se）　11　
1.9　MX（M=B，Al，Ga，In;X=O，S，Se，Te）　13　
参考文献　16　
第2章　第一性原理计算方法　17　
2.1　量子力学理论基础简介　17　
2.1.1　多粒子体系薛定谔方程　17　
2.1.2　Born-Oppenheimer　近似　18　
2.1.3　Hartree-Fock近似　18　
2.2　密度泛函理论简介　20　
2.3　多体格林函数理论　22　
2.3.1　单粒子格林函数　22　
2.3.2　Dyson方程　23　
2.3.3　Hedin方程　24　
2.3.4　GW近似　24　
2.3.5　Bethe-Salpeter方程　25　
参考文献　26　
第3章　二维半导体结构与声子谱　28　
3.1　晶体振动的一般理论　28　
3.2　二维半导体的声子色散关系　30　
3.3　力学性质　33
参考文献　34　
第4章　二维半导体的光学性质　35　
4.1　半导体的带间跃迁　35　
4.2　激子效应　38　
4.3　MX（M=Sn，Ge;X=S，Se）的光学性质　41　
4.4　黑磷多层的光学性质　44　
4.5　SnS2和SnSe2二维材料的激子效应　46　
4.6　黑磷的激子效应　48　
4.7　单层MoS2的发光　49　
4.8　α-tellurene的激子态和振荡强度　53　
4.9　二维半导体SnSSe激子效应的理论计算　56　
4.10　二维半导体MM′XX′（M，M′=Ga，In;X，X′=S，Se，Te）　激子效应的理论计算　59　
参考文献　60　
第5章　二维半导体中的缺陷态和合金　61　
5.1　三维半导体中的杂质和缺陷　61　
5.2　研究深能级杂质的集团模型方法　64　
5.3　二维半导体杂质缺陷类型　66　
5.4　二维半导体杂质缺陷态结合能的第一性原理计算　69　
5.5　二维半导体中的杂质缺陷态　70　
5.6　单层过渡金属硫化物的缺陷态　72　
5.7　单层MX2中的其他缺陷　74　
5.8　Mo1.xWxS2单层合金的能带和发光性质　77　
5.9　WS2xSe2.2x（x=0～1）合金二维半导体及器件　79　
参考文献　81　
第6章　二维半导体能带的紧束缚表述　83　
6.1　三维半导体的键轨道理论和紧束缚方法　83　
6.2　六角氮化硼（h-BN）单层能带的紧束缚计算　89　
6.2.1　二维BN的原子结构　90　
6.2.2　紧束缚能带论　91　
6.2.3　计算结果　93　
6.2.4　光学性质的定性讨论　95　
6.3　二维砷烯能带的紧束缚计算　96　
6.3.1　原子结构　97　
6.3.2　紧束缚计算　98
6.3.3　参数的调节　100　
6.3.4　光学性质的简单分析　100　
6.4　黑磷的紧束缚理论　101　
6.4.1　黑磷的原子结构　101　
6.4.2　二维黑磷的紧束缚矩阵元　103　
6.4.3　紧束缚参数的调节　106　
6.4.4　光学性质讨论　107　
6.5　二维SnS2的紧束缚理论　107　
6.5.1　原子结构和布里渊区　109　
6.5.2　紧束缚矩阵元　110　
6.5.3　能带计算结果　110　
6.5.4　波函数　111　
6.6　MoS2的紧束缚理论　113　
6.6.1　原子结构和布里渊区　113　
6.6.2　紧束缚矩阵元　114　
6.6.3　紧束缚参数的确定　116　
6.6.4　二维MoS2的能带　118　
参考文献　119　
第7章　二维半导体的输运性质　120　
7.1　三维半导体的线性输运性质　120　
7.2　第一性原理量子输运理论　123　
7.3　MX2的输运理论　125　
7.4　黑磷的输运性质　129　
7.5　MX（M=Ge，Sn;X=S，Se）的输运性质　130　
7.6　二维半导体的输运性质的特点　131　
7.7　二维半导体的场效应晶体管　132　
7.8　黑磷的场效应晶体管　134　
参考文献　136　
第8章　磁性二维半导体物理和器件　137　
8.1　磁性三维半导体　137　
8.2　二维范德瓦耳斯晶体的铁磁性　140　
8.3　二维磁半导体Fe3GeTe2　142　
8.4　二维磁半导体CrI3　143　
8.5　稀磁二维半导体Fe0.02Sn0.98S2　145　
8.6　二维室温铁磁材料Cr2Te3　148
8.7　异质结构与界面工程　151　
8.8　二维磁体的器件应用　152　
参考文献　156　
第9章　二维半导体的催化作用　157　
9.1　三维半导体TiO2的催化产氢效应　157　
9.2　二维TMD的催化产氢作用的一些基本概念　160　
9.3　二维半导体的光催化性质　161　
9.3.1　边缘修饰的黑磷烯纳米带的光解水性质　162　
9.3.2　WSSe的光催化性质　166　
9.3.3　MM′XX′（M，M′=Ga，In;X，X′=S，Se，Te）的光催化性质　169　
9.4　增加HER效率的方法　172　
9.4.1　相变工程　172　
9.4.2　缺陷工程　173　
9.4.3　异质原子掺杂工程　177　
9.4.4　异质结构工程　181　
参考文献　184　
第10章　二维半导体异质结　185　
10.1　二维半导体垂直异质结　185　
10.2　二维半导体垂直异质结的应用　187　
10.3　二维半导体侧向异质结　188　
10.4　二维半导体侧向异质结的应用　190　
10.5　双层MoS2/WS2侧向异质结的物理性质　191　
10.6　单层MoS2/WS2异质结的制备和物理性质　192　
10.7　垂直异质结中的激子　195　
10.8　转角异质结和莫尔激子　197　
参考文献　199　
附录　二维半导体的物理常数　200　
《21世纪理论物理及其交叉学科前沿丛书》已出版书目　203