单层ⅢA族氮化物电荷传输和电磁性能的第一性原理研究

发布时间：2020-04-29 00:49

【摘要】：低维纳米材料的出现极大地推动了纳米电子设备(如场效应晶体管和纳米自旋电子器件)的发展。组装高性能的新型纳米场效应晶体管(FET)要求所采用的二维纳米材料同时具有较高的载流子迁移率、合适的带隙值和良好的热稳定性(大气氛围下)。而组装新型纳米自旋电子器件则要求所采用的一维纳米材料具有可调控的电磁性能。原始的(1L-BN、1L-AlN和1L-GaN)和饱和功能化的二维单层ⅢA族氮化物具有有限的本征带隙值和良好的热稳定性,而其是否具有可用的载流子迁移率水平还不得而知。因此,本文采用第一性原理计算的手段,系统的研究了饱和功能化前后1L-BN、1L-AlN和1L-GaN的载流子迁移率。此外,本文也研究了饱和氢化及单碳链掺杂对锯齿型ⅢA族氮化物纳米带(ZBNNR、ZAlNNR和ZGaNN)的电磁性能的影响。二维单层ⅢA族氮化物(1L-BN、1L-AlN和1L-GaN)具有空穴占主导地位的较高的载流子迁移率,且其空穴迁移率(1207-5277 cm~2V~(-1)s~(-1))要明显高于目前商业化的硅基半导体设备(约500 cm~2V~(-1)s~(-1))。其中,1L-AlN的空穴迁移率最高(5277 cm~2V~(-1)s~(-1)),1L-GaN的空穴迁移率最低(1207 cm~2V~(-1)s~(-1)),1L-BN的空穴迁移率则介于1L-AlN和1L-GaN之间,为2026-2055 cm~2V~(-1)s~(-1)。同时,1L-AlN和1L-GaN的电子迁移率(425-457cm~2V~(-1)s~(-1))要高于1L-BN的电子迁移率(166 cm~2V~(-1)s~(-1)),并可达到目前商业化的硅基半导体设备的水平。此外,二维单层ⅢA族氮化物(1L-BN、1L-AlN和1L-GaN)的电子迁移率都表现出了较好的各向同性特征,而其空穴迁移率(尤其是1L-AlN)则表现出了一定程度的各向异性的特征。饱和功能化可以反转二维单层ⅢA族氮化物(1L-BN、1L-AlN和1L-GaN)的载流子迁移率的极性。饱和功能化可以显著抑制二维单层ⅢA族氮化物(1L-BN、1L-AlN和1L-GaN)的空穴迁移率,甚至使得饱和氢氟化的1L-BN(FBNH)和饱和氢化的1L-GaN(HGaNH)的载流子迁移率降低到接近零的程度(小于7 cm~2V~(-1)s~(-1))。相反,饱和功能化可以一定程度上增大(或保持)相应体系的电子迁移率。空穴迁移率的降低和电子迁移率的增大(或保持)最终会导致饱和功能化前后二维单层ⅢA族氮化物的载流子迁移率极性发生反转,即,由空穴占主导地位的载流子迁移率转变为电子占主导地位的载流子迁移率。另外,饱和功能化可以调控二维单层ⅢA族氮化物的载流子迁移率的各向异(同)性特征。具体说来,饱和氢化后的1L-BN(HBNH)和饱和氢(氟)化后的1L-GaN(HGaNH和FGaNH)的电子和空穴的迁移率都表现出一定程度的各向异性特征,而饱和氢化后的1L-AlN(HAlNH)的载流子迁移率则都是各向同性的。锯齿型ⅢA族氮化物纳米带(ZBNNR、ZAlNNR和ZGaNNR)为间接带隙半导体,其导带底和价带顶处的电荷密度分布会随着宽度的变化而发生轻微的改变,进而导致锯齿型ⅢA族氮化物纳米带的带隙值随着纳米带宽度的增大而逐渐轻微减小。另外,锯齿型ⅢA族氮化物纳米带中存在平带态(flat band states),该平带态起源于与H原子成键的N原子的π(p_z)轨道。饱和氢化可使得锯齿型ⅢA族氮化物纳米带(ZBNNR、ZAlNNR和ZGaNNR)发生结构褶皱,且可使其由半导体转变为磁性金属,其磁性主要起源于位于纳米带左边界附近的原子(H原子或N原子),且其磁性随着纳米带的宽度的增大而单调递增。此外,单碳链掺杂可以有效调控ZBNNR和ZAlNNR的带隙性质(间接带隙或直接带隙)和带隙值大小。具体说来,左边界处单碳链掺杂的ZBNNR和ZAlNNR,因其导带底的π键态,具有最小的直接带隙值(约为0.7 eV和0.3 eV)。更为重要的是,单碳链掺杂可以抑制ZAlNNR中的平带态(flat band states)及调节相应掺杂体系中border states(起源于π键和π*键)所处的位置,从而调控单碳链掺杂的ZAlNNR中电子输运通道所处的位置。
【图文】：

西北工业大学博士学位论文墨烯载流子迁移率的研究现状墨烯（graphene）是由单层 C 原子构成的，具有蜂窝状结构的平面六角形[13,14]（如图 1-1（a）所示）。在石墨烯中，碳原子所具有的电子中，两个上，外层四个分别填充在 2s 和 2p 轨道上，且其中三个外层电子占据平面道，形成三个位于同一平面且夹角为 120 度的 键（键长为 1.42 ），而于 pz轨道的孤对电子则形成大 π 键。

第 1 章 绪论以发生褶皱、弯曲，并以此来抵抗外力的作用。另外，石墨烯中未成键的 π 电子（垂直于 C 原子平面的 pz轨道）可形成成键态和反键态，且该成键态和反键态相交于费米能级处的 K 点，进而形成奇特的 Dirac 锥（如图 1-1（b）所示）。在 Dirac 锥的顶点处，电子能量和电子波矢呈线性关系，电子的有效质量为零，其速度可高达 106 m/s[15]。正是由于石墨烯具有独特的电子结构，其才能具有超高的常温载流子迁移率（105cm2V-1s-1）[16,17]，，甚至在温度低于 50 K 时达到了 107cm2V-1s-1[18]。
【学位授予单位】：西北工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;TQ133

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本文编号：2644051