硅和砷烯中缺陷的电子结构与光学性质研究

发布时间：2017-12-31 05:06

本文关键词：硅和砷烯中缺陷的电子结构与光学性质研究　出处：《南京大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：利用半导体材料特殊的物理特性,人们发明和制造了各种具有特定光电功能的器件,其中最具有代表性的是太阳能电池和光电探测器。硅太阳能电池是大面积器件,覆盖了较宽的太阳光谱范围,至今已为人类提供了大量的清洁能源,目前的主要研究目标是怎样有效地提高对光子的吸收能力,减少光生载流子的复合,从而提高电池的光电转化效率。对于光电探测器,例如光电二极管,其工作原理类似于太阳能电池,但是对特定频率的光信号做出响应,因此目前的研究重点是探索各种材料体系,通过调控电子结构达到对特定光频率的响应。最近几年,由于二维半导体材料具有多样化的电子特性,带隙覆盖微波至紫外的电磁波段,其原子层厚度和光有强烈的相互作用,可形成独特的光电子器件,因而进入了研究人员的视野。实际半导体材料的晶体结构总是不完美的,不可避免地存在各种缺陷。缺陷能够显著地改变材料的电子结构,从而对器件的光电性能产生影响。对半导体材料中缺陷的调控有两种策略：一方面尽量消除缺陷对器件的不利影响；另一方面利用缺陷设计特定的微结构,达到调控材料光电性质的目的。为了得到性能优良的光电器件,首先就要对半导体中的缺陷的性质进行深入的研究。利用密度泛函理论,从量子力学原理出发,能够直接计算材料中与缺陷相关的物理性质。本文主要使用理论计算方法研究了半导体材料的点缺陷和面缺陷。孪晶界是一种特殊的面缺陷,位于其两侧的晶体结构是镜面对称的。二维材料中的缺陷类型较多,本文对几种常见的缺陷进行了研究。本文第一章概述了固体材料中孪晶界面和二维材料中缺陷的研究,包括实验发现和理论探索。第二章主要介绍了本文计算中使用的第一性原理方法和数值算法。另外也介绍了第一性分子动力学和过渡态搜索的Nudged Elastic Band方法。第三章介绍了硅孪晶界诱导的电子结构和光学性质的第一性原理计算。第四章则详细介绍了光学方法鉴定单层砷烯中拓扑缺陷类型的工作。第五章对本文的工作进行了总结和展望。本文主要的研究成果包括三部分：1.利用第一性原理软件CASTEP计算了晶体硅和孪晶硅的能带结构、态密度和光学性质。首先构筑了包含孪晶界的晶体硅的超胞结构,并进行几何结构优化。结果表明孪晶界上的硅键长被拉伸,界面两侧产生了相互排斥的势。通过比较晶体硅和孪晶硅超胞的能带结构,确定了孪晶界面态的精确位置。孪晶界对态密度的影响主要位于价带中,对导带边缘的影响并不明显。孪晶界存在时,可见光频率的光学吸收系数剧烈增大,当孪晶硅中存在常见的空位和杂质时,光学吸收在可见光频率没有减小。孪晶界能够提高晶体硅对可见光的吸收,从而提高硅基太阳电池的光电转换效率。2.构建了包含各种缺陷的单层砷烯超胞,通过结构优化计算了缺陷的形成能。MV-1、MV-2口MV-3代表三种单空位(MV)缺陷,其中MV-3型缺陷的形成能最小,表明结构最稳定。另外,确定了双空位(DV)和Stone-Wales (SW)型缺陷的重构结构。第一性分子动力学模拟显示：在低温条件下,MV-1和MV-2型缺陷非常容易转变为MV-3型缺陷。DV和SW型缺陷在室温下保持热稳定。利用过渡态搜索方法,找到了发生结构转变的一些能量势垒和反应路径。MV-3缺陷的扩散系数等于1.33×10~(-11)cm~2/s,略低于硅烯单空位的扩散系数,但略高于石墨烯单空位的扩散系数。产生一个SW型缺陷需要克服1.136eV的势垒能量,但消除一个SW型缺陷要更加容易,所以可以通过快速退火的方法消除砷烯中的SW缺陷。两种双空位DV-1和DV-2相互转化的几率相等。3.介电函数虚部和吸收系数的计算结果显示单空位缺陷能够增强砷烯晶体禁带中的光跃迁,两个新的特征峰出现在单空位结构的光谱中。这种光谱的特点与双空位和SW缺陷结构的光谱特点明显不同。这些光谱的差异可以提供砷烯中的拓扑缺陷的相关信息。
[Abstract]:In this paper , the author introduces the first principle method and numerical algorithm which can improve the photoelectric properties of the semiconductor . In the last few years , because the two - dimensional semiconductor material has various electron properties , the structure of the semiconductor material is not perfect , so it can improve the photoelectric conversion efficiency of the device . The structure of dual vacancy ( DV ) and Stone - Wales ( SW ) - type defects is determined . The first molecular dynamics simulation shows that MV - 1 and MV - 2 defects are very easy to transform into MV - 3 defects under low temperature conditions . The diffusion coefficient of MV - 3 defects is equal to 1.33 脳 10 ~ ( -11 ) cm ~ 2 / s , which is slightly lower than the diffusion coefficient of graphene single vacancy .

【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN304

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