Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线结构稳定性与电子性质的第一性原理研究

发布时间：2017-10-24 03:31

  本文关键词：Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线结构稳定性与电子性质的第一性原理研究

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【摘要】：Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线由于优越的物理化学性质以及与现有的硅基工艺相兼容等特点使得它们在纳米级电子和光电子器件领域极具潜力。由于电子器件的输运性质以及光电器件的光学吸收和激发主要由材料的电子性质所决定,因此要实现Ⅲ-Ⅴ族纳米线在各类器件上的应用,理解其基础的结构和电子性质是根本条件。受维度限制和大的表面比等因素的影响,Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线展现出许多不同于体相材料的表面形貌和新奇的电子性质。并且在纳米尺度下,Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线的结构和电子性质与其尺寸、晶相、晶面和组分密切相关,这使得单纯依赖实验的手段去探索纳米线结构和电子性质变得十分困难。为此,本论文采用全量子密度泛函理论的第一性原理计算方法,系统地研究了尺寸效应、表面效应、晶相效应以及组分效应对Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线(包括磷化铟、磷化镓以及砷化镓)结构稳定性和电子性质的影响,目的旨在探索Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线结构和电子性质在微观尺度的调控机制,为实验上实现Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线的可控制备与应用提供一定的理论指导。研究的主要内容和结论如下:1.首先系统研究了Ⅲ-Ⅴ族半导体(包括磷化铟、磷化镓以及砷化镓)在四种不同晶相(2H,4H,6H和3C相)中的电子性质。研究结果表明:随着晶相从闪锌矿结构(3C相)向纤锌矿结构(2H相)转变,磷化镓的带隙逐渐减小,并且能带结构也从间接带隙半导体过渡到直接带隙半导体;而在磷化铟和砷化镓材料中则呈现出相反的趋势,即随晶相从闪锌矿结构逐渐过渡到纤锌矿结构,其带隙逐渐增大,并且均是直接带隙半导体。2.进而研究了表面和尺寸效应对纤锌矿相的磷化铟纳米线结构稳定性和电子性质的影响。研究结果表明:纤锌矿相的磷化铟纳米线的表面为低指数、非极性的{1(?)00}和{11(?)0}面,但这些晶面的分布和表面形貌与这些面的表面能直接相关。表面形成能的计算表明,{1(?)00}面较{11(?)0}面有更低的能量,有利于磷化铟纳米线的表面更容易形成{1(?)00}的晶面,这与实验的观察非常吻合。电子结构的计算表明:随着纳米线尺寸的减小,纳米线的带隙不断增大。并且,当纳米线尺寸较大,超过3纳米时,具有{11(?)0}晶面越多的纳米线带隙越大;而当纳米线尺寸小于3纳米时,则含{1(?)00}面比例越多的纳米线带隙越大。这表明可以通过尺寸和晶面对磷化铟纳米线的带隙进行调控。3.详细调查了晶面和晶相效应对磷化镓纳米线结构稳定性和电子性质的影响。研究结果表明:对于不同晶相的磷化镓纳米线,其稳定性是晶相与晶面竞争关系的结果。在较大尺寸下,由晶相决定了纳米线的结构稳定性,磷化镓纳米线容易形成具有孪晶位错的闪锌矿相纳米线;而在尺寸较小的情况下,则由晶面决定纳米线的结构稳定性,更容易形成纤锌矿相的纳米线。这些结果有助于理解磷化镓解纳米线晶体结构的形成。对于磷化镓纳米线的电子结构(包括能带结构特征和带隙)同样也受纳米线尺寸和晶相的影响。基于计算结果,得到了磷化镓纳米线带隙随尺寸变化的定量关系,并且理论计算值和实验值吻合的非常好,这表明可以通过纳米线尺寸和晶相来调控Ⅲ-Ⅴ族纳米线的电子性质。4.最后系统调查了组分和尺寸效应对砷化镓/磷化镓核壳结构纳米线的电子能带结构及载流子空间分布的影响。研究发现:磷化镓的壳层对砷化镓纳米线进行钝化可以消除表面态的影响,从而得到本征半导体的特征。进一步的研究发现,砷化镓/磷化镓核壳结构纳米线的带隙、能带结构特征以及带阶都受核壳组分比、尺寸以及晶相的影响。即所有的纤锌矿相的核壳结构纳米线都是直接带隙半导体,而闪锌矿相的核壳结构纳米线随着核壳组分比x的升高而出现间接带隙向直接带隙的转变;并且,当纳米线尺寸小于5纳米时是一种赝Ⅰ型带阶的半导体,尺寸增加会导致核壳纳米线从赝Ⅰ型带阶向Ⅰ型带阶的转变,即能使电子和空穴载流子全部局域在砷化镓中。这为调控砷化镓/磷化镓核壳结构纳米线的电子结构起到了重要的指导意义,并且可以很好地应用于高速电子器件中。
【关键词】：Ⅲ-Ⅴ族半导体 纳米线 第一性原理 结构稳定性 电子性质
【学位授予单位】：中国计量大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304.23;TB383.1
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-17
• 1 绪论17-26
• 1.1 半导体纳米材料的基本特性18-19
• 1.2 Ⅲ-Ⅴ族半导体材料19-24
• 1.3 理论计算在Ⅲ-Ⅴ族半导体纳米线研究中的重要性24-25
• 1.4 本论文工作简介25-26
• 2 第一性原理的理论计算方法26-41
• 2.1 第一性原理在计算材料学中的地位26
• 2.2 第一性原理计算简介26-27
• 2.3 密度泛函理论27-36
• 2.3.1 玻恩 -奥本海默近似28-29
• 2.3.2 Hartree-Fock自洽场方法29-31
• 2.3.3 Hohenberg-Kohn定理31-32
• 2.3.4 Kohn-Sham方程32
• 2.3.5 交换关联泛函32-33
• 2.3.6 基于密度泛函理论的第一性原理计算方法33-36
• 2.4 密度泛函理论的自洽计算过程36-37
• 2.5 计算软件介绍37-41
• 2.5.1 Materials Studio软件简介37-38
• 2.5.2 VASP计算软件简介38-39
• 2.5.3 Vesta计算软件简介39-41
• 3 Ⅲ-Ⅴ族半导体的体相性质41-52
• 3.1 体相性质对于研究纳米线性质的意义41
• 3.2 计算方法41-42
• 3.3 不同晶相的Ⅲ-Ⅴ族半导体结构变化42-44
• 3.4 Ⅲ-Ⅴ族块体的电子性质44-50
• 3.4.1 磷化镓块体的电子性质45-47
• 3.4.2 磷化铟和砷化镓块体的电子性质47-50
• 3.5 本章小结50-52
• 4 晶面效应对磷化铟纳米线结构稳定性和电子性质的影响52-63
• 4.1 引言52-53
• 4.2 计算方法和模型53-54
• 4.3 结果与讨论54-61
• 4.4 本章小结61-63
• 5 晶面和晶相效应对磷化镓纳米线结构稳定性和电子性质的影响63-75
• 5.1 引言63-64
• 5.2 计算方法和模型64-66
• 5.3 结果和讨论66-74
• 5.4 本章小结74-75
• 6 砷化镓/磷化镓核壳结构的电子性质75-88
• 6.1 引言75-76
• 6.2 计算模型和方法76-78
• 6.3 结果和讨论78-86
• 6.3.1 壳层钝化作用对纳米线电子结构的影响78-79
• 6.3.2 组分比和尺寸效应对核壳结构纳米线电子性质的影响79-83
• 6.3.3 核壳结构纳米线的载流子空间局域化特征83-86
• 6.4 本章小结86-88
• 7 总结与展望88-91
• 7.1 论文总结88-89
• 7.2 后续展望89-91
• 参考文献91-101
• 作者简历101

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