本文關(guān)鍵詞：Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體納米線結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與電子性質(zhì)的第一性原理研究

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【摘要】：Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體納米線由于優(yōu)越的物理化學(xué)性質(zhì)以及與現(xiàn)有的硅基工藝相兼容等特點(diǎn)使得它們?cè)诩{米級(jí)電子和光電子器件領(lǐng)域極具潛力。由于電子器件的輸運(yùn)性質(zhì)以及光電器件的光學(xué)吸收和激發(fā)主要由材料的電子性質(zhì)所決定,因此要實(shí)現(xiàn)Ⅲ-Ⅴ族納米線在各類(lèi)器件上的應(yīng)用,理解其基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)是根本條件。受維度限制和大的表面比等因素的影響,Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體納米線展現(xiàn)出許多不同于體相材料的表面形貌和新奇的電子性質(zhì)。并且在納米尺度下,Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體納米線的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)與其尺寸、晶相、晶面和組分密切相關(guān),這使得單純依賴(lài)實(shí)驗(yàn)的手段去探索納米線結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)變得十分困難。為此,本論文采用全量子密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法,系統(tǒng)地研究了尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、晶相效應(yīng)以及組分效應(yīng)對(duì)Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體納米線(包括磷化銦、磷化鎵以及砷化鎵)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子性質(zhì)的影響,目的旨在探索Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體納米線結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)在微觀尺度的調(diào)控機(jī)制,為實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體納米線的可控制備與應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)。研究的主要內(nèi)容和結(jié)論如下:1.首先系統(tǒng)研究了Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體(包括磷化銦、磷化鎵以及砷化鎵)在四種不同晶相(2H,4H,6H和3C相)中的電子性質(zhì)。研究結(jié)果表明:隨著晶相從閃鋅礦結(jié)構(gòu)(3C相)向纖鋅礦結(jié)構(gòu)(2H相)轉(zhuǎn)變,磷化鎵的帶隙逐漸減小,并且能帶結(jié)構(gòu)也從間接帶隙半導(dǎo)體過(guò)渡到直接帶隙半導(dǎo)體;而在磷化銦和砷化鎵材料中則呈現(xiàn)出相反的趨勢(shì),即隨晶相從閃鋅礦結(jié)構(gòu)逐漸過(guò)渡到纖鋅礦結(jié)構(gòu),其帶隙逐漸增大,并且均是直接帶隙半導(dǎo)體。2.進(jìn)而研究了表面和尺寸效應(yīng)對(duì)纖鋅礦相的磷化銦納米線結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子性質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明:纖鋅礦相的磷化銦納米線的表面為低指數(shù)、非極性的{1(?)00}和{11(?)0}面,但這些晶面的分布和表面形貌與這些面的表面能直接相關(guān)。表面形成能的計(jì)算表明,{1(?)00}面較{11(?)0}面有更低的能量,有利于磷化銦納米線的表面更容易形成{1(?)00}的晶面,這與實(shí)驗(yàn)的觀察非常吻合。電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算表明:隨著納米線尺寸的減小,納米線的帶隙不斷增大。并且,當(dāng)納米線尺寸較大,超過(guò)3納米時(shí),具有{11(?)0}晶面越多的納米線帶隙越大;而當(dāng)納米線尺寸小于3納米時(shí),則含{1(?)00}面比例越多的納米線帶隙越大。這表明可以通過(guò)尺寸和晶面對(duì)磷化銦納米線的帶隙進(jìn)行調(diào)控。3.詳細(xì)調(diào)查了晶面和晶相效應(yīng)對(duì)磷化鎵納米線結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子性質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明:對(duì)于不同晶相的磷化鎵納米線,其穩(wěn)定性是晶相與晶面競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的結(jié)果。在較大尺寸下,由晶相決定了納米線的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,磷化鎵納米線容易形成具有孿晶位錯(cuò)的閃鋅礦相納米線;而在尺寸較小的情況下,則由晶面決定納米線的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,更容易形成纖鋅礦相的納米線。這些結(jié)果有助于理解磷化鎵解納米線晶體結(jié)構(gòu)的形成。對(duì)于磷化鎵納米線的電子結(jié)構(gòu)(包括能帶結(jié)構(gòu)特征和帶隙)同樣也受納米線尺寸和晶相的影響�；谟�(jì)算結(jié)果,得到了磷化鎵納米線帶隙隨尺寸變化的定量關(guān)系,并且理論計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值吻合的非常好,這表明可以通過(guò)納米線尺寸和晶相來(lái)調(diào)控Ⅲ-Ⅴ族納米線的電子性質(zhì)。4.最后系統(tǒng)調(diào)查了組分和尺寸效應(yīng)對(duì)砷化鎵/磷化鎵核殼結(jié)構(gòu)納米線的電子能帶結(jié)構(gòu)及載流子空間分布的影響。研究發(fā)現(xiàn):磷化鎵的殼層對(duì)砷化鎵納米線進(jìn)行鈍化可以消除表面態(tài)的影響,從而得到本征半導(dǎo)體的特征。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn),砷化鎵/磷化鎵核殼結(jié)構(gòu)納米線的帶隙、能帶結(jié)構(gòu)特征以及帶階都受核殼組分比、尺寸以及晶相的影響。即所有的纖鋅礦相的核殼結(jié)構(gòu)納米線都是直接帶隙半導(dǎo)體,而閃鋅礦相的核殼結(jié)構(gòu)納米線隨著核殼組分比x的升高而出現(xiàn)間接帶隙向直接帶隙的轉(zhuǎn)變;并且,當(dāng)納米線尺寸小于5納米時(shí)是一種贗Ⅰ型帶階的半導(dǎo)體,尺寸增加會(huì)導(dǎo)致核殼納米線從贗Ⅰ型帶階向Ⅰ型帶階的轉(zhuǎn)變,即能使電子和空穴載流子全部局域在砷化鎵中。這為調(diào)控砷化鎵/磷化鎵核殼結(jié)構(gòu)納米線的電子結(jié)構(gòu)起到了重要的指導(dǎo)意義,并且可以很好地應(yīng)用于高速電子器件中。
【關(guān)鍵詞】：Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體 納米線 第一性原理 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性 電子性質(zhì)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)計(jì)量大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TN304.23;TB383.1
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-17
• 1 緒論17-26
• 1.1 半導(dǎo)體納米材料的基本特性18-19
• 1.2 Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料19-24
• 1.3 理論計(jì)算在Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體納米線研究中的重要性24-25
• 1.4 本論文工作簡(jiǎn)介25-26
• 2 第一性原理的理論計(jì)算方法26-41
• 2.1 第一性原理在計(jì)算材料學(xué)中的地位26
• 2.2 第一性原理計(jì)算簡(jiǎn)介26-27
• 2.3 密度泛函理論27-36
• 2.3.1 玻恩 -奧本海默近似28-29
• 2.3.2 Hartree-Fock自洽場(chǎng)方法29-31
• 2.3.3 Hohenberg-Kohn定理31-32
• 2.3.4 Kohn-Sham方程32
• 2.3.5 交換關(guān)聯(lián)泛函32-33
• 2.3.6 基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法33-36
• 2.4 密度泛函理論的自洽計(jì)算過(guò)程36-37
• 2.5 計(jì)算軟件介紹37-41
• 2.5.1 Materials Studio軟件簡(jiǎn)介37-38
• 2.5.2 VASP計(jì)算軟件簡(jiǎn)介38-39
• 2.5.3 Vesta計(jì)算軟件簡(jiǎn)介39-41
• 3 Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體的體相性質(zhì)41-52
• 3.1 體相性質(zhì)對(duì)于研究納米線性質(zhì)的意義41
• 3.2 計(jì)算方法41-42
• 3.3 不同晶相的Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)變化42-44
• 3.4 Ⅲ-Ⅴ族塊體的電子性質(zhì)44-50
• 3.4.1 磷化鎵塊體的電子性質(zhì)45-47
• 3.4.2 磷化銦和砷化鎵塊體的電子性質(zhì)47-50
• 3.5 本章小結(jié)50-52
• 4 晶面效應(yīng)對(duì)磷化銦納米線結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子性質(zhì)的影響52-63
• 4.1 引言52-53
• 4.2 計(jì)算方法和模型53-54
• 4.3 結(jié)果與討論54-61
• 4.4 本章小結(jié)61-63
• 5 晶面和晶相效應(yīng)對(duì)磷化鎵納米線結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子性質(zhì)的影響63-75
• 5.1 引言63-64
• 5.2 計(jì)算方法和模型64-66
• 5.3 結(jié)果和討論66-74
• 5.4 本章小結(jié)74-75
• 6 砷化鎵/磷化鎵核殼結(jié)構(gòu)的電子性質(zhì)75-88
• 6.1 引言75-76
• 6.2 計(jì)算模型和方法76-78
• 6.3 結(jié)果和討論78-86
• 6.3.1 殼層鈍化作用對(duì)納米線電子結(jié)構(gòu)的影響78-79
• 6.3.2 組分比和尺寸效應(yīng)對(duì)核殼結(jié)構(gòu)納米線電子性質(zhì)的影響79-83
• 6.3.3 核殼結(jié)構(gòu)納米線的載流子空間局域化特征83-86
• 6.4 本章小結(jié)86-88
• 7 總結(jié)與展望88-91
• 7.1 論文總結(jié)88-89
• 7.2 后續(xù)展望89-91
• 參考文獻(xiàn)91-101
• 作者簡(jiǎn)歷101

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