基于第一性原理的a-Si:H红外特性研究

发布时间：2017-08-07 22:19

  本文关键词：基于第一性原理的a-Si:H红外特性研究

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【摘要】：氢化非晶硅具有很强的光电导和较大的光吸收系数,不但可以通过掺杂改变其导电类型,而且可通过改变沉积工艺条件连续的调整材料的光电性质,它作为一种优秀的半导体材料在军事和民用领域都得到了广泛应用。但是由于传统的非晶硅材料中悬挂键的存在会劣化材料的稳定性,从而影响非晶硅薄膜器件的性能。目前大部分研究主要集中在工艺条件对氢化非晶硅薄膜结构和性质的影响,通过计算机模拟仿真的研究较少。本文以实验为基础,基于第一性原理建立了a-Si:H模型,并对其结构和红外特性的仿真结果与实验结果进行了对比分析。本文首先建立了2×2×2含64个Si原子的c-Si64模型,而后采用液相冷却方法对模型进行了加热冷却得到纯硅非晶态结构模型,仿真结果表明该结构较好的体现了非晶硅的短程有序、长程无序的性质。进一步研究了非晶态模型的密度对其结构和性质的影响,并发现当密度为2.20g/cm3时模型缺陷的数量较低,模型性质较为稳定。为了更加深入的认识非晶硅薄膜中H原子的重要性,建立理想的氢化非晶硅模型。本文进行了薄膜的红外特性实验研究,对薄膜中氢含量做了定量计算,研究了薄膜中氢含量随压强的变化,发现薄膜的氢含量随压强升高的先增加而后降低当反应压强为80pa时到达最大值。并且对上述不同的氢含量薄膜中的键合模式、折射率、消光系数进行了对比分析。实验部分不仅加深了对薄膜结构和红外性质的认识,并且为仿真模型合理性验证提供了实验依据。最后对非晶态模型进行了H原子的添加,并且建立了不同氢含量的非晶硅模型,研究了模型中氢含量对模型结构和性质的影响,发现11%氢含量模型缺陷密度较低,相变程度较小,H原子以Si-H键存在于模型中,其性质较为稳定。最后对上述模型的红外特性进行了仿真分析,并通过与实验结果的对比验证了模型的合理性。
【关键词】：非晶硅薄膜 第一性原理 红外特性 氢含量 键合模式
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ127.2;TB383.2
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 引言10-11
• 1.2 a-Si:H薄膜研究背景11-17
• 1.2.1 非晶硅薄膜结构和性质11-12
• 1.2.2 非晶硅薄膜的制备方法12-13
• 1.2.3 非晶硅薄膜测试手段13-16
• 1.2.4 a-Si:H 薄膜的研究现状16
• 1.2.5 a-Si:H 薄膜的应用16-17
• 1.3 第一性原理的应用17-18
• 1.4 本文研究意义18-19
• 1.5 本文内容安排19-20
• 第二章 第一性原理理论简介20-29
• 2.1 密度泛函理论20-23
• 2.1.1 薛定谔方程及其近似20-21
• 2.1.2 Hohenberg-Kohn定理：多体理论21
• 2.1.3 Kohn-Sham方程21-23
• 2.2 交换关联泛函23-25
• 2.2.1 局域密度近似23-24
• 2.2.2 广义梯度近似24-25
• 2.2.3 杂化密度泛函近似25
• 2.3 基组25
• 2.4 赝势方法25-27
• 2.5 密度泛函计算过程27-28
• 2.6 本章小结28-29
• 第三章 纯硅非晶态结构模型的建立及优化29-44
• 3.1 晶体硅模型建立及优化29-32
• 3.2 晶体硅慢速冷却非晶化32-34
• 3.3 冷却模型Dmol3优化34-36
• 3.4 密度对模型结构和性质的影响36-43
• 3.4.1 密度对模型径向分布函数的影响36-38
• 3.4.2 密度对模型的缺陷以及配位数的影响38-40
• 3.4.3 密度对模型的键角分布函数的影响40-41
• 3.4.5 密度对模型的能态密度的影响41-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第四章 红外特性实验研究44-62
• 4.1 a-Si:H 硅薄膜键合模式介绍44-45
• 4.2 a-Si:H 薄膜的制备45-48
• 4.3 薄膜测试与红外特性分析48-61
• 4.3.1 压强对薄膜厚度及其均匀性的影响48-51
• 4.3.2 压强对薄膜折射率和消光系数的影响51-52
• 4.3.3 压强对傅里叶红外光谱的影响52-60
• 4.3.4 薄膜氢含量分析60-61
• 4.4 本章小结61-62
• 第五章 掺氢模型及红外特性分析62-78
• 5.1 冷却模型氢原子添加62-64
• 5.2 氢含量对模型结构和性质的影响64-69
• 5.2.1 氢含量对径向分布函数的影响64-66
• 5.2.2 氢含量对模型缺陷数量的影响66-67
• 5.2.3 氢含量对模型键角分布的影响67-68
• 5.2.4 氢含量对模型能态密度的影响68-69
• 5.3 氢化非晶硅模型红外特性分析69-77
• 5.3.1 红外波段光吸收系数分析69-73
• 5.3.2 红外波段折射率分析73-75
• 5.3.3 红外波段消光系数分析75-77
• 5.4 本章小结77-78
• 第六章 总结78-80
• 6.1 本文完成的工作78-79
• 6.2 本文展望79-80
• 致谢80-81
• 参考文献81-85
• 攻硕期间研究成果85-86

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本文编号：637037