二维半导体中缺陷评价方法及其物性规律的第一性原理研究

发布时间：2018-02-02 06:23

本文关键词： 二维半导体缺陷评价方法缺陷激子载流子输运氮化硼二硫化钼黑磷石墨烯氧化物第一性原理计算　出处：《吉林大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：二维半导体是指具有原子级别厚度,电子被限制在二维平面内运动的材料。体系维度的降低带来量子限制效应和弱屏蔽效应,这些效应赋予二维半导体许多新奇独特的物理和化学性质,使其在诸多领域具有非常重要的应用前景。尤其是在高性能微电子器件方面,二维半导体具有天然优势,可显著提升器件集成度并降低功耗,因此被认为是硅材料的“接班人”,摩尔定律的“续写者”。通过调控缺陷实现可靠稳定的N型和P型导电特性是促进基于二维半导体的电子器件工业化发展的关键。然而目前,二维半导体的掺杂特性,由缺陷提供的载流子的传输特性等缺陷物理图像的理论研究尚处于初步探索阶段。更为严峻的是,传统三维半导体带电缺陷评价方法对二维半导体缺陷体系失效,这无疑给精准评估二维半导体中缺陷的性能带来了困难。本论文解决了二维半导体中带电缺陷评价困难,建立了可靠有效的评价方法,并借助此评价方法探索了二维半导体中的缺陷行为及物性规律,具体研究结果如下:1.二维半导体中带电缺陷的评价方法。传统的缺陷计算方法在周期性边界条件下对带电缺陷采用Jellium近似,这种计算机制已经广泛应用于三维半导体缺陷计算并且取得了一系列可靠的结果。但是将此方法直接应用于二维半导体体系带来的结果是带电体系能量随真空尺寸发散,即不同的真空尺寸给出不同的结果,这无疑是非物理的。经研究,发散来源于二维体系中的带电缺陷和Jellium补偿电荷之间的强库仑作用。通过推导我们给出了库仑发散的渐近表达式,表明在Jellium电荷密度接近零极限时可得到收敛能量。将此表达式与第一性原理计算相结合可用来计算所有单层材料的带电缺陷能量,进而评估缺陷性能。此方法奠定了在Jellium近似框架下,利用第一性原理计算二维半导体材料带电缺陷性能的基础。2.二维半导体中带电缺陷评价方法的普适化拓展。上一部分工作给出了单层材料带电缺陷的计算方法,在电子器件应用中,少层、多层材料以及二维半导体材料和衬底组成的复合体系更为普遍。因此如何评估具有一定厚度的二维半导体体系中带电缺陷的性能成了新的难题。较直观的做法是建立具有超大真空尺寸的晶胞,使材料厚度相对于真空尺寸来说足够薄,然后采用上述的单层材料计算方法。但这种做法无疑需要强大的计算资源,在实际应用中存在困难。基于此,我们将上述方法推广到了更加普适的形式,可用于具有任意厚度、平面几何结构的二维半导体体系和准二维体系(如衬底、表面和界面体系)中带电缺陷性能的评价。以少层黑磷中施主缺陷碲替磷和受主缺陷磷空位为例,计算其在单层到三层体系中的离化能,结果表明不断增强的介电屏蔽导致缺陷离化能随层数增加而下降。此方法奠定了为二维电子器件设计具有“定制”性能的材料的理论基础。3.二维半导体中的缺陷激子及其对载流子传输的影响。利用二维半导体体系带电缺陷评价方法计算单层二硫化钼中本征缺陷和替位掺杂的离化能,结果表明缺陷离化能都很大,即使是最浅的施主缺陷铼替钼和受主缺陷铌替钼,其离化能也高达0.45 e V和0.55 e V,这意味着二硫化钼不可能通过铼掺杂和铌掺杂而实现有效的N型和P型电导。这一结果与实验所观测到的基于铼掺杂和铌掺杂的二硫化钼的N型和P型导电特性相矛盾。针对理论研究与实验观测存在的矛盾,我们探索了缺陷激子图像及其对载流子传输的影响。由于二维半导体体系屏蔽效应弱,载流子离化到带边后仍受到带电缺陷的强库仑束缚作用,两者组成“带电缺陷-载流子”类激子,载流子需克服这种类激子束缚能才能成为自由载流子。这意味着缺陷离化能里面包含较大的缺陷激子束缚能。铼替钼和铌替钼的激子束缚能分别为0.45 e V和0.39 e V。尽管离化能和激子束缚能很大,但处于受束缚带边的载流子的波函数在实空间交叠,可实现载流子传输。而且,外界存在的高介电环境可增强屏蔽效应从而加强载流子传输。以上结果有助于促进对二维电子器件中通过缺陷工程实现的载流子提供和传输图像的理解。4.氮、硼掺杂石墨烯氧化物N型、P型导电特性研究。石墨烯氧化物具有天然带隙,且制备成本低廉,有望作为半导体材料应用到未来电子工业中。为探索通过掺杂实现石墨烯氧化物的N型和P型导电特性,我们采用受限激发法系统地研究了杂质氮和杂质硼在其中的缺陷性能和行为。石墨烯氧化物中的sp3区由广泛接受的羟基链和环氧链组成,整体氧覆盖率为50%,带隙为1.80 e V。硼倾向于取代sp3杂化的碳原子,作为受主;氮倾向于取代sp3和sp2区域交界处的sp2杂化的碳原子,作为施主。硼替碳的受主离化能在0.24~0.42 e V范围内,氮替碳的施主离化能在0.32~0.67 e V范围内。然而,氮替碳的一个特例是作为有效受主,离化能仅为0.12 e V,这种反常现象归因于环氧基团的氧原子与杂质氮原子合作完成的“Lift-off”机制。这些研究为石墨烯氧化物在未来电子器件方面的应用,提供了掺杂缺陷行为的微观图像。综上所述,针对传统三维半导体中带电缺陷计算方法对二维半导体中带电缺陷失效的问题,我们首先提出了单层半导体中缺陷性能的评价方法,在此基础上将其进一步拓展到了适用于具有任意厚度的二维半导体(少层半导体)和准二维体系(如二维半导体和衬底的复合体系)中缺陷性能的评价。将此方法应用到典型二维半导体中缺陷离化能的计算,结果表明二维半导体中缺陷离化能都很大,其根源在于弱屏蔽效应。同时,弱屏蔽效应导致缺陷激子和缺陷激子束缚态,进而导致不同于传统三维半导体的载流子输运图像。本文工作有助于推进二维半导体缺陷物理的发展,为二维电子器件的产业化发展提供了理论支持。
[Abstract]:The two - dimensional semiconductor refers to a material having atomic level thickness and electrons confined in a two - dimensional plane . The reduction of the system dimension brings about quantum confinement effect and weak shielding effect , which give many novel and unique physical and chemical properties of the two - dimensional semiconductor , so that it has a very important application prospect in many fields . Especially in high - performance microelectronic device , the two - dimensional semiconductor has the natural advantages , can obviously improve the integration degree of the device and reduce the power consumption , thus being regarded as the successor of the silicon material . This paper presents a new method for evaluating the charged defects in a two - dimensional semiconductor . In order to study the N - type and P - type conductivity characteristics of graphene oxide , this method has been used in the future electronic industry . In order to study the N - type and P - type conductivity characteristics of graphene oxide by doping , this method can be used as acceptor .

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

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