GaAs纳米颗粒的快速凝固过程研究

发布时间：2020-05-12 13:36

【摘要】：砷化镓(GaAs)材料具有较高的电子迁移率和光电转换效率,在光电子器件以及微电子器件等领域中应用广泛。纳米材料是当今材料领域的前沿,GaAs纳米颗粒是极具研究价值的纳米半导体材料之一。微观结构决定宏观性质,因此对GaAs纳米颗粒微观结构的研究尤为关键。实验上难以捕捉材料微观结构演变过程,只能通过理论模拟的方法对微观结构演变过程进行追踪。理论研究可以使人们对科学实验有更深刻的理解,对GaAs纳米颗粒的生产、应用有一定的指导意义。本文通过分子动力学方法模拟了1×10~(11) K/s熔速下理想闪锌矿结构GaAs纳米颗粒的快速升温的动态过程。同时,模拟了1×10~(13) K/s熔速下无序结构GaAs纳米颗粒的快速升温、驰豫过程,以及在不同冷却速率下的液态GaAs纳米颗粒的凝固过程。采用径向分布函数、平均原子势能、配位数、键角分布和二面角分布及可视化等方法对其微观结构的动态演变过程进行了详细分析。结果表明:1、当温度大于520 K时,由于As的饱和蒸汽压远大于Ga,可以更容易地以As蒸汽形式脱离体系,而Ga元素在高温下表现出稳定的特性。这种特殊的性质将高温下GaAs纳米颗粒体系下的Ga和As分离。由于表面效应,与GaAs晶体相比,GaAs纳米颗粒从外界获取更少的能量即可实现固液相变。2、理想闪锌矿结构GaAs纳米颗粒的熔点为1100 K。由于颗粒不同位置上的原子势能不同,导致各区域其熔化所需外界提供的能量大小有所差异,GaAs纳米颗粒呈现出阶段性、区域性的熔化现象。熔化过程中,GaAs纳米颗粒部分闪锌矿结构的极化扭曲导致体系中纤锌矿结构的形成,同时表面轮廓迅速向球形趋近。3、液态GaAs纳米颗粒的液-固相变温度Tc为970 K,较GaAs晶体1460 K低。当体系所在温度高于Tc时,GaAs纳米颗粒将处于液态的无规球状结构,即纳米液滴;当体系所在温度低于Tc时,Ga和As原子之间的成键结构迅速变得稳定,形成GaAs纳米颗粒,其最外层表面为有缺陷的六环蜂窝状结构、次外层表面为有缺陷的二维密堆积结构,缺陷由CN=4、5、6的Ga、As及其近邻原子填充最终获得更高的结构致密度。4、当冷速R≥2×10~100 K/s时,液态GaAs纳米颗粒结晶现象不明显;当R2×10~100 K/s时,在(970,920)K温度区间,液态GaAs纳米颗粒出现明显的结晶行为。200 K时,各冷速下GaAs纳米颗粒体系3、4配位原子主要分布在颗粒表面,形成类似于足球烯的六环蜂窝结构,进一步分析得到这种六环结构为有缺陷闪锌矿结构的(1 1 1)面。冷速越高,结晶后体系的有序度越高,GaAs纳米颗粒3、4配位原子数目越多,表面六环数目越多,As以3配位存在的原子数目越少,GaAs纳米颗粒越是趋近于球形。
【图文】：

示意图,晶胞,示意图,Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体

1.2 GaAs 的晶体结构图 1.1 GaAs 的晶胞示意图图 1.1 为 GaAs 晶胞的结构示意图。GaAs 作为闪锌矿型晶格结构[1]的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，其晶格常数为 5.65 。As 原子和 Ga 原子通过共价结合的方式构成四面体结构，其中 Ga 原子最外层电子轨道呈 s2p1组态，，而 As 原子最外层电子轨道呈 s2p3组态。As 电负度为 2.0，Ga 电负度为 1.6，这使得 As-Ga 以极性共价的方式结合。1.3 GaAs 的基本性质1.3.1 GaAs 的电学性质GaAs 是一种特性优良的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，表 1.1 给出了常温下 GaAs 和其它半导体材料物理性能的比较。参数值与诸多外界因素有关，如杂质类型和掺杂浓度、制备工艺以及测量方法等。表1.1 GaAs与其它半导体材料物理性能的比较[5]GaAs GaN Si 3C-SiC Ge击穿电场(MV/cm) 0.4 5 0.3 2.12 ~本征载流子浓度(cm-3) 2.25×106~ 1.02×10101.5×10-12.4×1013带隙(eV) 1.43 3.39 1.12 2.4 0.67击穿电场(MV/cm) 0.4 5 0.3 2.12 ~电子迁移率(cm2/s·V) 8500 900 1350 800 3900空穴迁移率(cm2/s·V) 400 10 480 40 1900电子饱和漂移速率(cm/s) 2.1×1072.7×1071×1072.5×107~熔点(K) 1511 1700 1687 3100 1211介电常数 12.85 9 11.8 9.72 16.3莫氏硬度 5.0～5.5 9 6.5 9 6材料禁带宽度的大小决定了其发射光的波长值

示意图,径向分布函数,示意图,表征体系

径向分布函数示意图
【学位授予单位】：贵州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304;TB383.1

【参考文献】