ZnO基半导体异质结材料与器件的理论研究
发布时间：2021-02-18 07:47
氧化锌（ZnO）是一种典型的直接宽禁带半导体材料,其具有3.37 eV的大禁带宽度,激子结合能高达60 meV,是目前最具应用潜力的氧化物半导体之一。室温下三维ZnO的最稳定结构为六方纤锌矿结构,沿c轴方向上具有优良的压电性质。这些特性使得ZnO在紫外发光器件、高温微电子器件、光电子器件、太阳能电池和压电器件等领域显示出了广泛而优越的应用前景。另外,2013年二维ZnO（g-ZnO）的成功制备推动了ZnO在低维领域的发展,为其在电子器件应用中的微型化、集成化和多功能化提供了基础。为了获得材料中更新颖、更优越的物理性质,构建异质结是有效的研究方法之一,因为通常来说,异质结会表现出比组成个体更优异的性质和应用价值。目前针对ZnO基异质结的研究囊括了三维异质结和二维异质结领域,越来越多的新的物理性质逐渐被人们发现。本论文从基于密度泛函理论框架下的第一性原理出发,理论上研究了三维ZnO基异质结和二维g-ZnO基异质结在应变和外电场下的局域极化、电子能带结构和光学性质等,为ZnO基半导体光电子器件的设计提供了理论基础。主要研究内容及成果如下:首先计算了三维纤锌矿ZnO和立方相PbTiO...
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
一些半导体材料在光电探测器、太阳能电池上的应用[3,4]
1绪论3图1-1一些半导体材料在光电探测器、太阳能电池上的应用[3,4]Figure1-1Semiconductorapplicationsinphotodetectorsandsolarcells[3,4]1.3ZnO简介（IntroductionofZnO）1.3.1ZnO基本性质ZnO是一种典型的Ⅱ-Ⅵ族宽禁带氧化物半导体材料，自身具有非常好的光电性质和压电性质。如图1-2所示，在自然条件下，ZnO的结晶状态具有三种不同的晶体结构：六角纤锌矿结构(hexagonalwurtzite)，闪锌矿结构(zincblende)和岩盐矿结构(rocksalt)。其中纤锌矿结构为其热力学稳定结构[6]，闪锌矿结构则一般存在于立方结构的衬底当中，而岩盐矿结构可通过对纤锌矿ZnO施加高压获得。图1-2不同构型下ZnO的原子结构示意图。依次为纤锌矿型ZnO，闪锌矿型ZnO以及岩盐矿型ZnO(图片来自网络）Figure1-2TheatomicstructureofZnOwithdifferentconfiguration:wurtziteZnO,zincblendeZnOandrocksaltZnO(fromtheInternet)在室温下，ZnO表现为稳定的六方纤锌矿结构，属六方晶系，空间群为P63mc，晶格常数为：a=3.249，c=5.206，c/a=1.602，α=β=90°，γ=120°。理论上纤锌矿结构的ZnO为六方密排堆积，在一个原胞里每个Zn原子被四个O原子包围，同样地每个O原子也被四个Zn原子包围，从而每个Zn原子和最近邻的四个O原子组成一个四面体结构，每个O原子也与周围最近的四个Zn原子构成一个四面体结构，这两个子结构共同组成了整体的复式格子。其中O的原子坐标为(0,0,0)和(0.6667,0.3333,0.5)，Zn的原子坐标为(0,0,0.3825)和(0.6667,0.333,0.8825)。在实际ZnO晶体中，由于长程极化效应，使ZnO存在
硕士学位论文6Sr、La、Pr等。B位通常为过渡金属离子，如：Ti、Co、Mn、Fe等，处于由阴离子O形成的八面体的中心。A离子的配位数为12，周围最近的有12个O离子。B离子的配位数为6，最近的也是6个O离子。O离子的配位数也是6，周围最近的是4个A离子和2个B离子。O离子和B离子形成了正八面体结构，这也是钙钛矿非常重要的结构特点。钙钛矿具有不同于其他材料的结构，使其富含了许多特有的性质，例如铁电性，铁磁性，铁弹性，压电性，抗磁性，顺磁性，反铁磁性，亚铁磁性等，在太阳能电池，存储器，激光器，光电探测器，光通信等领域均具有广泛的应用前景。PbTiO3是一种典型的钙钛矿结构氧化物，是铁电和压电领域研究的重要材料，于1950年首次被人们发现。PbTiO3的居里温度为490℃(Tc=490℃)，在居里温度以下，表现为四方铁电相结构，晶格常数为a=3.905，c=4.156，c/a=1.063。在490℃左右发生结构相变，于居里温度以上的高温下表现为立方顺电相结构。对于四方结构的PbTiO3，由于正负电荷中心不重合将产生自发极化，并且自发极化的方向在外加电场下会发生翻转，使得PbTiO3具有铁电性。理论上PbTiO3的极化值可达到81μC/cm2，但在室温下能实际观测到的值最高为75μC/cm2，是目前已知的铁电材料中自发极化强度最高的材料之一。立方的PbTiO3由于正负电荷中心重合因此不具有自发极化和铁电性。利用以上性质，PbTiO3在压电陶瓷、驱动器、超声波传感器和铁电非挥发性存储器等领域具有重要的应用。图1-3钙钛矿结构示意图Figure1-3Theschematicdiagramofperovskite
【参考文献】：
期刊论文
[1]取向纳米ZnO/Cu2O异质结阵列的制备及光电特性[J]. 宋亚男,李梦轲,张天民,孙杰婷,王楠,王玉琼,杨蕊,付宏波,冯秋菊,顾吉林. 中国科学:化学. 2014(10)
本文编号：3039264
【文章来源】：中国矿业大学江苏省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：71 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
一些半导体材料在光电探测器、太阳能电池上的应用[3,4]
1绪论3图1-1一些半导体材料在光电探测器、太阳能电池上的应用[3,4]Figure1-1Semiconductorapplicationsinphotodetectorsandsolarcells[3,4]1.3ZnO简介（IntroductionofZnO）1.3.1ZnO基本性质ZnO是一种典型的Ⅱ-Ⅵ族宽禁带氧化物半导体材料，自身具有非常好的光电性质和压电性质。如图1-2所示，在自然条件下，ZnO的结晶状态具有三种不同的晶体结构：六角纤锌矿结构(hexagonalwurtzite)，闪锌矿结构(zincblende)和岩盐矿结构(rocksalt)。其中纤锌矿结构为其热力学稳定结构[6]，闪锌矿结构则一般存在于立方结构的衬底当中，而岩盐矿结构可通过对纤锌矿ZnO施加高压获得。图1-2不同构型下ZnO的原子结构示意图。依次为纤锌矿型ZnO，闪锌矿型ZnO以及岩盐矿型ZnO(图片来自网络）Figure1-2TheatomicstructureofZnOwithdifferentconfiguration:wurtziteZnO,zincblendeZnOandrocksaltZnO(fromtheInternet)在室温下，ZnO表现为稳定的六方纤锌矿结构，属六方晶系，空间群为P63mc，晶格常数为：a=3.249，c=5.206，c/a=1.602，α=β=90°，γ=120°。理论上纤锌矿结构的ZnO为六方密排堆积，在一个原胞里每个Zn原子被四个O原子包围，同样地每个O原子也被四个Zn原子包围，从而每个Zn原子和最近邻的四个O原子组成一个四面体结构，每个O原子也与周围最近的四个Zn原子构成一个四面体结构，这两个子结构共同组成了整体的复式格子。其中O的原子坐标为(0,0,0)和(0.6667,0.3333,0.5)，Zn的原子坐标为(0,0,0.3825)和(0.6667,0.333,0.8825)。在实际ZnO晶体中，由于长程极化效应，使ZnO存在
硕士学位论文6Sr、La、Pr等。B位通常为过渡金属离子，如：Ti、Co、Mn、Fe等，处于由阴离子O形成的八面体的中心。A离子的配位数为12，周围最近的有12个O离子。B离子的配位数为6，最近的也是6个O离子。O离子的配位数也是6，周围最近的是4个A离子和2个B离子。O离子和B离子形成了正八面体结构，这也是钙钛矿非常重要的结构特点。钙钛矿具有不同于其他材料的结构，使其富含了许多特有的性质，例如铁电性，铁磁性，铁弹性，压电性，抗磁性，顺磁性，反铁磁性，亚铁磁性等，在太阳能电池，存储器，激光器，光电探测器，光通信等领域均具有广泛的应用前景。PbTiO3是一种典型的钙钛矿结构氧化物，是铁电和压电领域研究的重要材料，于1950年首次被人们发现。PbTiO3的居里温度为490℃(Tc=490℃)，在居里温度以下，表现为四方铁电相结构，晶格常数为a=3.905，c=4.156，c/a=1.063。在490℃左右发生结构相变，于居里温度以上的高温下表现为立方顺电相结构。对于四方结构的PbTiO3，由于正负电荷中心不重合将产生自发极化，并且自发极化的方向在外加电场下会发生翻转，使得PbTiO3具有铁电性。理论上PbTiO3的极化值可达到81μC/cm2，但在室温下能实际观测到的值最高为75μC/cm2，是目前已知的铁电材料中自发极化强度最高的材料之一。立方的PbTiO3由于正负电荷中心重合因此不具有自发极化和铁电性。利用以上性质，PbTiO3在压电陶瓷、驱动器、超声波传感器和铁电非挥发性存储器等领域具有重要的应用。图1-3钙钛矿结构示意图Figure1-3Theschematicdiagramofperovskite
【参考文献】：
期刊论文
[1]取向纳米ZnO/Cu2O异质结阵列的制备及光电特性[J]. 宋亚男,李梦轲,张天民,孙杰婷,王楠,王玉琼,杨蕊,付宏波,冯秋菊,顾吉林. 中国科学:化学. 2014(10)
本文编号：3039264
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