一维氧化锌纳米带电输运的第一性原理研究

发布时间：2018-04-22 09:01

  本文选题：氧化锌 + 密度泛函理论　； 参考：《北京科技大学》2015年博士论文

【摘要】：随着计算方法的发展以及计算机运算能力的提高,基于密度泛函理论的第一性原理计算方法已成为纳米材料研究的重要手段,并广泛地应用于原子层面的结构性能预测。而ZnO纳米材料因其丰富的结构形貌,优异的物理化学性能,在实验和理论研究中都引起了人们的广泛关注。 本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,结合非平衡格林函数方法,系统研究了一维ZnO纳米带的电子结构和电子输运特性,以及ZnO纳米带与金属之间的界面电子结构和界面势垒。着重研究了ZnO纳米带不同方向上的电子输运差异、纳米带的尺寸效应、单轴应变、元素掺杂对电输运性能的影响。同时,还研究了ZnO纳米带与不同金属电极之间的界面结构和界面势垒、界面层间距与ZnO纳米带电子输运的关系。 研究了ZnO纳米带的极性面方向和非极性面方向电子输运的差异。ZnO纳米带沿[0001]方向的电输运特性具有非对称性金属特性,负偏压下的电流响应大于正偏压下的电流响应。而ZnO沿[10工0]和[1210]非极性面方向的电输运特性,为对称性金属特性。ZnO沿[1010]方向的电流响应大于ZnO沿[1210]方向。不同宽度的ZnO纳米带的电输运特性,可以形成金属型、半金属以及半导体的整流特性三种不同的电流-电压特性,较窄的纳米带隧穿严重,呈现金属特性；较宽的纳米带形成半导体的整流特性,而宽度居中的纳米带则为混合型电流响应。 研究了Cu/ZnO界面层间距与电输运的关系,Cu/ZnO纳米带的双电极结构随着界面层间距的增大,其电导率可以分成两个区间,当层间距小于2.3A时,其界面类型为化学成键接触,大于2.3A之后,其界面类型为物理吸附接触。Cu/Zn O的界面势垒随纳米带宽度的增大而增加,随着界面层间距的增加而增大。 研究了应变调控的ZnO纳米带电输运特性。宽度较窄的ZnO纳米带电导率随应变的增大而线性减小,宽度较大的ZnO纳米带电导率随应变的增大而指数减小。Cu/ZnO纳米带隧穿结的压电阻应变系数,在大偏压(0.6V)下,显示出对拉伸／压缩应变的非对称性现象。在0.8V的偏压下,拉伸应变的压阻系数为5.6,压缩应变的压阻系数为4.29。而ZnO纳米带和Cu接触的界面势垒,随着应变的增大而线性减小。 研究了Al、Ga、In、N口P掺杂ZnO纳米带的电输运特性,以及掺杂位置与Ga掺杂ZnO纳米带电输运特性的关系。A1和Ga掺杂ZnO纳米带中的非局域化电子,使ZnO纳米带的电输运特性表现为n型导电特性；Li、N和P掺杂ZnO纳米带表现为p型导电特性；由于In掺杂ZnO纳米带中的局域化电子,使得当偏压为0.2V-0.7V时,出现了负电阻效应。当掺杂位于ZnO纳米带内部时,可以提供有效的n型导电。随着掺杂位置向界面移动,电流响应逐渐减小。当掺杂位于ZnO纳米带内部时,Cu和ZnO之间的界面势垒变化很小,约为0.18eV左右；当掺杂位置接近界面时,Cu/Zn0界面势垒也随之增大,当掺杂缺陷位于界面处时,界面势垒约为0.41eV。 研究了Au、Ag、Al、Pt与ZnO纳米带接触的界面结构和界面势垒。金属与ZnO(0001)接触的O-M界面比Zn-M界面更为稳定。Pt-ZnO(1010)接触的界面,比Ag-ZnO和Au-ZnO界面更加稳定。Au、Pt与ZnO(0001)、ZnO(0001)和ZnO(1010)接触时,都可以形成有效的肖特基型接触；Ag只有与ZnO(0001)面接触时,可以形成有效的肖特基接触；Ag与ZnO(0001)和ZnO(1010)面接触时,会形成欧姆型接触。
[Abstract]:With the development of computing method and the improvement of computing power, the first principle calculation method based on density functional theory has become an important means of nanomaterial research, and is widely used in the prediction of structural properties at the atomic level. The ZnO nanomaterials, because of their rich structure and morphology, excellent physical and chemical properties, are in the experiment. Both theoretical research and theoretical research have attracted wide attention.
In this paper, based on the first principle method based on density functional theory, the electronic structure and electron transport properties of one dimensional ZnO nanoribbons and the interface electronic structure and interface barrier between ZnO nanoribbons and metals are systematically studied with the nonequilibrium Green function method. The electron transport differences in different directions of ZnO nanoribbons are studied. The effect of the size effect, uniaxial strain and element doping on the electrical transport properties of the nanobelts. At the same time, the interface structure and interface barrier between the ZnO nanoribbons and different metal electrodes, the relationship between the interlayer spacing and the electron transport of ZnO nanometers are also studied.
The electrical transport characteristics of the.ZnO nanoribbons in the direction of the polar and non polar plane transport in the ZnO nanoribbons have asymmetric metal properties along the [0001] direction. The current response under the negative bias is greater than the current response under the positive bias. The electrical transport properties of ZnO along the direction of 0] and [1210] in [10 are symmetric gold. The current response of the characteristic.ZnO along the [1010] direction is greater than that of ZnO along the [1210] direction. The electrical transport properties of the ZnO nanoribbons of different width can form three different current voltage characteristics of metal, semi metal and semiconductor rectifier characteristics, the narrower nanoscale tunneling is serious, and the metal characteristics are present; the wider nanoscale is formed to form semiconductors. Rectifying characteristics, while the nanoribbons with a middle width are mixed current responses.
The relationship between the interlayer spacing of the Cu/ZnO interface and the electrical transport is studied. The conductivity of the double electrode structure of the Cu/ZnO nanometers can be divided into two intervals with the increase of the interlayer spacing. When the interlayer spacing is less than 2.3A, the interface type is chemical bonding contact, and the interface type is the interface barrier of physical adsorption and.Cu/Zn O after more than 2.3A. The increase of rice strip width increases with the increase of interlayer spacing.
The charged transport properties of ZnO nanoscale controlled by strain are studied. The narrow width of ZnO nanoscale conductivity decreases linearly with the increase of strain. The charged conductivity of ZnO nanoscale with a larger width decreases exponentially with the increase of strain, and the tensile / compression strain is shown under large partial pressure (0.6V). Under the bias of 0.8V, the piezoresistive coefficient of the tensile strain is 5.6, the piezoresistive coefficient of the compressive strain is 4.29. and the interface barrier of the ZnO nanoribbon contact with Cu decreases linearly with the increase of the strain.
The electrical transport properties of Al, Ga, In, N and P doped ZnO nanoribbons are studied, and the relationship between the doping position and the charge transport properties of Ga doped ZnO nanometers is related to the non localized electrons in.A1 and Ga doped ZnO nanoribbons. The localized electrons in the doped ZnO nanoribbons make the negative resistance effect when the bias is 0.2V-0.7V. When the doping is inside the ZnO nanometers, the effective n type conduction can be provided. As the doping position moves to the interface, the current response gradually decreases. When the doping is located inside the ZnO nanometers, the interface barrier between Cu and ZnO changes very well. When the doping level is near the interface, the barrier potential of the Cu/Zn0 interface also increases. When the doping defect is located at the interface, the interface barrier is about 0.41eV. 0.41eV..
The interface structure and interface barrier of Au, Ag, Al, Pt and ZnO nanoribbons are studied. The O-M interface of metal and ZnO (0001) is more stable.Pt-ZnO (1010) contact than Zn-M interface, which is more stable than Ag-ZnO and Au-ZnO interface. An effective Schottky contact can be formed when contacted with ZnO (0001) surface, and ohmic contacts will be formed when Ag contacts with ZnO (0001) and ZnO (1010) surface.

【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1;O614.241

【共引文献】

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本文编号：1786494