若干半导体非晶化相变的结构及化学键演化规律的第一性原理研究

发布时间：2018-03-11 16:10

本文选题：非晶半导体　切入点：硫族化合物　出处：《吉林大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：作为电子工业“血液”的半导体,对整个电子工业的发展有着重要意义。而非晶半导体由于其结构上有长程无序、短程有序的特点,所以具有很多独特的性质。非晶半导体在信息存储、能量转换等电子科学领域具有重要的应用价值。因此,探究非晶半导体的结构及其中原子成键的特点将极大地有益于改善非晶半导体的器件性能。一般情况下,我们可以通过传统的熔化—冷却方法或者激光作用固态相变等方法获得非晶半导体。本论文利用第一性原理计算方法,对通过熔化—冷却获得的硫族化合物Al Sb和Ge Sb Te非晶半导体的价键结构、原子图像以及在电子激发下的结构演化规律进行探索,为理解它们在相变存储器件应用中的作用提供理论借鉴;另外,我们也考察了在电子激发效应作用下石墨的成键结构和非晶化过程的演化规律;最后我们探讨了应用在红外光学窗口的半导体Zn S材料的氢缺陷行为。具体内容包括:1.一些硫族化合物可以在外界条件作用下,如激光或者电脉冲作用下,实现非晶相和晶相之间的快速可逆转变,相变存储器就是利用这一特点存储信息的,这些硫族化合物也被称为相变材料。一般相变存储材料由三种元素或更多元素组成,锑化铝虽然是由两种金属元素组成的相变材料,但却展现出了良好的非晶相稳定性,并且锑化铝相变过程中铝始终保持着非晶状态。我们利用分子动力学模拟,获得了相变材料锑化铝的非晶原子结构模型。通过统计非晶锑化铝中的键角、配位数、电子局域函数和电荷密度差的分布,对其中原子图像和电子结构进行分析,由此,探究锑化铝的非晶相能够稳定存在的内在原因。我们发现非晶锑化铝中Al和Sb都是主要是以sp3杂化形成共价键的方式结合在一起,这构成了非晶锑化铝的基本价键网络。另外,Al元素会在一定程度上聚集到一起形成三元环结构,这些三元环结构展现出一定的金属性。由此可知,非晶锑化铝可以分成两部分:Al富集的部分和Sb富集的部分。Sb富集的部分保证锑化铝可以结晶,而Al富集部分则保证了锑化铝晶相和非晶相之间存在明显的差异,因而保证了非晶锑化铝稳定性,从而实现存储器件的良好数据保持力。2.利用激光的电子激发作用可以实现固态非晶化,例如激发作用可以使相变材料Ge2Sb2Te5(GST)的晶格软化进而无序化。我们在此基础上利用分子动力学模拟探究了激光的电子激发作用对GST非晶结构的影响。通过分析体系中四元环数量的变化,我们发现电子激发可以使非晶GST在一定温度下继续保持长程无序的非晶结构,而不是发生再结晶,并且激发量越大越利于非晶结构的保持。3.激光的电子激发作用不仅能够实现非晶化,而且还可以改变半导体的成键特性。我们研究了金刚石表面的若干层石墨结构在电子激发作用下结构的演变。从中可以发现,电子激发可以使得表面的若干层石墨结构变得无序,同时其中一部分碳原子由原来的sp2杂化成键结构转变成了sp3杂化的成键结构。如果石墨层的六元环与金刚石的(111)面的六元环完全对准并平行,石墨结构部分有可能以金刚石为模板转化为金刚石结构。4.缺陷是半导体中无序的部分,我们对红外窗口材料硫化锌中的氢缺陷起源及微观原子图像、迁移路径等进行了探索。研究发现:当氢原子位于硫化锌中硫—锌键的中心位置时能量最低,所以硫化锌中的掺杂剂和载流子都会对键中心位置的氢产生非常明显的影响。相比之下间隙位置的氢是最不稳定的。另外,分子动力学的结果表明,即使在室温下间隙位置的氢也很容易扩散,因此高温退火的方法可以显著减少硫化锌中间隙位置的氢。
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【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN303

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