若干半导体材料电子结构及电荷输运性质的理论研究

发布时间：2020-04-25 07:36

【摘要】：半导体材料的电子结构及电荷输运性质对于设计与筛选性能优异的半导体器件至关重要。经过数十年迅速发展,半导体材料基本物理性质的研究已经成为世界上最活跃的科学研究领域之一。本论文从理论上研究了若干半导体材料的电子结构与电荷输运性质,研究对象由一维DNA/RNA生物有机半导体、二维层状BNCx无机半导体延伸至三维有机无机杂化半导体。主要内容如下:第一章简单介绍了半导体领域的发展现状及应用前景,着重讨论了近年来发展迅速的分子导线材料、二维层状材料以及新型有机无机钙钛矿材料的研究进展及其存在的问题。第二章阐述了量子力学理论基础以及半导体纳米材料中电荷输运的机理。讨论了两种电荷输运模型:跳跃传输和能带输运模型。其中跳跃传输模型主要用于描述有机半导体中的电荷输运,其电声耦合接近甚至大于电子耦合,电荷的输运行为表现为分子间跳跃。能带输运模型,主要用于描述无机半导体中的电荷输运,其电子耦合远大于电声耦合,电荷的输运行为表现为能带传输。第三章结合电子跳跃模型和马库斯理论,研究了12种DNA/RNA的电子/空穴传输速率和载流子迁移率。计算数值与实验数值十分吻合,表明:此模型非常适合描述DNA/RNA中的电荷输运。此外,通过对比12种DNA/RNA结构的电荷输运参数和结构特点后发现:具有合适π-π堆积的碱基对可以显著提高DNA/RNA的电荷输运特性,其中2L8I结构的空穴迁移率高达1.09×10-1 cm2V-1 s-1,与盘状液晶处于同一量级,是一种潜在的分子线电子器件材料。第四章结合形变势理论和玻尔兹曼输运方法,研究了二维层状半导体材料BNCx的电荷输运性质。电子结构计算表明:所有BNCx结构都有非零带隙,且BNCCx的带隙与碳原子的比率和排布方式有关。电荷输运性质计算表明:其中一种BNC2结构(BNC2-1)的载流子迁移率高达105 cm2 V-1s-1,其特定方向上的电子或空穴传输已经可以媲美甚至超过石墨烯。BNC和BNC4的电子和空穴传输具有明显的各向异性。特别是BNC4,其y方向上的空穴迁移率和x方向的电子迁移率都接近106cm2V-1 s-1,远高于石墨烯。第五章使用GLLB-SC模型势泛函计算了3种不同相、27种不同二价金属钙钛矿结构MABI3的带隙。结果表明:只有五种钙钛矿结构(MABI3:B=Pb,Sn,Ge,Cd,Be)具有可见光吸收带隙,其中已有三种结构得到了实验证实。此外,我们研究了一种新的基于Ag和Sb的双钙钛矿MA2AgSbI6的电子结构。结果表明:MA2AgSbI6的带隙为2.0eV,电子有效质量与MAPbI3接近,显示了良好的电子输运特性。分波电荷密度还显示:MA2AgSbI6的电子和空穴在晶胞内可以有效分离。最后,用实验证明了理论预测的正确性,预示着MA2AgSbI6是一种潜在的钙钛矿太阳能电池材料。第六章针对黄铁矿型三元化合物磷硫化钴(CoPS)电解水制氢的性能与晶面相关的实验事实,研究了CoPS的电子结构,并构建了不同的CoPS晶面来研究H原子在晶面的吸附与脱附过程。结果显示:不同晶面上的析氢反应行为是由H原子在表面的吸附及表面H-H复合的过程共同决定的。结合马库斯理论,我们对CoPS不同晶面的电化学过程进行了详尽的描述,并提出了研究不同晶面电化学活性的新方法以及析氢反应过程的新认识,为设计新型非贵金属析氢电催化剂提供了新的思路。
【图文】：

能带模型

杂可以极大改善半导体的电阻率，当半导体中掺入微量杂质时，杂质原子格的周期性势场，从而形成附加的束缚态，在禁带中形成杂质能级。掺杂两种：受主掺杂与施主掺杂。半导体进行受主掺杂时，价带中由于缺少电载流子，半导体中导电的载流子主要为价带中的空穴，属于空穴型导电，体，其费米能级更靠近价带，，如图ｌ．ｉ所示。而半导体进行施主掺杂时，余电子形成电子载流子，半导体中导电载流子主要为导带中的电子，属于称为Ｎ型半导体，其费米能级更靠近于导带，同样如图１．１所示。逡逑发展逡逑的发现实际上最早可以追溯到１９世纪，１８３３年，英国的Ｆａｒａｄａｙ发现硫着温度的变化情况不同于一般金属。一般情况下，金属的电阻会随温度升是硫化银材料的电阻是随着温度的上升而降低的，其实这就是半导体现象有记载的半导体效应ｍ。在这之后不久，１８３９年法国的Ｂｅｃｑｕｅｒｅｌ发现半接触形成异质结，在光照下会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生

线型碳,分子聚合,共轭聚合物,生物分子

１．２．２二维层状结构逡逑２００４年，Ａｎｄｒｅ邋Ｇｉｅｍ等人报道了一个惊人的消息，他们在实验室通过机械剥离的逡逑方法从石墨中得到了石墨烯［１３］。作为碳纳米管和富勒烯材料的母体，如图１．３所示，石逡逑墨烯的发现一经报道就立即引起了整个科研界的关注。一系列的研究表明，石墨烯是一逡逑种由碳原子以ｓｐ２杂化方式形成的蜂窝状平面薄膜，具有一系列非常优异的性质。例如逡逑其室温下的载流子迁移率高达１００００邋ｃｍ２邋Ｖ１邋ｓ＇这一数值超过了硅材料的１0倍，更是逡逑娣化铟（ＩｎＳｂ）的两倍以上［１３］。此外，石墨烯还具有量子霍尔效应［１４］，非常大的理论表面逡逑积（２６３０0＾１１５］，优异的光学透明性（？９７．７％）［１６］，非常高的杨氏模量（？ｌＴＰａ）［１７］，以及逡逑４逡逑
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB303

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