硅基光電子材料和稀磁材料的計(jì)算設(shè)計(jì).pdf

1、眾所周知，硅是當(dāng)今微電子技術(shù)的首選材料，而且硅微電子工藝也已經(jīng)發(fā)展的很成熟。然而，由于體材料硅是一種間接帶隙半導(dǎo)體，其躍遷過(guò)程必須要借助于聲子的參與，因此不能成為有效的光發(fā)射體。近來(lái)的研究表明采用硅基納米結(jié)構(gòu)有可能得到具有直接帶隙的硅基材料，可是當(dāng)前的固體電子理論對(duì)一個(gè)給定的晶體結(jié)構(gòu)，只有在計(jì)算它的電子結(jié)構(gòu)后才能斷定其是否具有直接帶隙。如何通過(guò)已有的物理學(xué)原理和可行的微加工技術(shù)設(shè)計(jì)具有直接帶隙特性的硅基新材料并使其成為有效的光發(fā)射體就成

2、為一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的工作。 長(zhǎng)期以來(lái)，人們都知道固體的能帶結(jié)構(gòu)與其對(duì)稱性是密切相關(guān)的。通過(guò)對(duì)大量半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)與對(duì)稱性關(guān)系的分析，我們發(fā)現(xiàn)Oh點(diǎn)群對(duì)稱的材料幾乎全是間接帶隙材料；化合物半導(dǎo)體主要有兩種對(duì)稱性，Td和C6v，具有乃對(duì)稱性的閃鋅結(jié)構(gòu)材料大部分為直接帶隙，小部分為間接帶隙；而對(duì)稱性更低的C6v六角對(duì)稱材料則幾乎全是直接帶隙材料。因此，我們相信通過(guò)降低晶體的對(duì)稱性可以作為設(shè)計(jì)具有直接帶隙硅基材料的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性原則。要降低硅

3、晶體的對(duì)稱性通常有兩種較簡(jiǎn)便的方法：一種是通過(guò)原子的替位，也即在硅晶中用其他的原子替代硅原子；另一種稱為插入層生長(zhǎng)，將插入的原子周期性的整層生長(zhǎng)在硅晶上。在本文中，考慮了插入原子的電負(fù)性差效應(yīng)和芯態(tài)效應(yīng)，我們分別用上述兩種方法設(shè)計(jì)了兩類硅基超晶格材料，得到了幾種具有直接帶隙結(jié)構(gòu)的硅基材料。 另一方面，人們一直對(duì)發(fā)展將電、磁集為一體的稀磁半導(dǎo)體抱有濃厚的興趣。最近有實(shí)驗(yàn)報(bào)道，在鍺上獲得了居里溫度達(dá)到285K的鐵磁性稀磁材料MnxG

4、e1-x。而后的理論計(jì)算表明在硅上也可能獲得接近室溫下的Mn摻雜硅基稀磁半導(dǎo)體材料MnxSi1-x。研究人員試圖用長(zhǎng)程鐵磁性與短程反鐵磁性的競(jìng)爭(zhēng)，平均場(chǎng)理論，RKKY理論等對(duì)它們的鐵磁性進(jìn)行解釋，可是，對(duì)于它們?yōu)槭裁幢憩F(xiàn)出鐵磁性的機(jī)理還有待進(jìn)一步的探索。我們嘗試通過(guò)改變摻入的過(guò)渡金屬原子的種類和摻入時(shí)的位置兩種途徑來(lái)分析硅、鍺稀磁材料中磁性的變化特點(diǎn)，并利用RKKY理論對(duì)相應(yīng)稀磁半導(dǎo)體的居里溫度作了預(yù)測(cè)。 本論文可分為兩部分。第

5、一部分介紹了研究工作所涉及的基本理論和第一原理方法。首先介紹了密度泛函理論，包括密度泛函理論的基本思想、Hobenberg-Kohn定理、Kohn-Sham方程、交換關(guān)聯(lián)近似和GW修正等。接著介紹了本研究工作中所采用的具體電子結(jié)構(gòu)計(jì)算方法，即平面波展開(kāi)的第一性原理贗勢(shì)法。并對(duì)基于平面波贗勢(shì)法的VASP程序包的特點(diǎn)作了介紹。第二部分共有三章，分別介紹我們的研究工作和結(jié)果。 在第三章中，我們采用插入層生長(zhǎng)的方法，分別在Si(001)

6、面周期性的插入單層Ⅵ族、V族和Ⅲ-V族原子。同時(shí)考慮到Si(001)表面不同的重構(gòu)方式，即(2×1)和(2×2)兩種結(jié)構(gòu)，分別進(jìn)行了第一性原理計(jì)算。經(jīng)過(guò)計(jì)算，我們得到了兩種在廠點(diǎn)具有直接帶隙的超晶格Se/Si5/VI/Si5/Se和Se/Si6/VI/Si6/Se(VI=O,S,Se)，而且研究表明(2×2)結(jié)構(gòu)的Se/Si5/VI/Si5/Se超晶格比(2×1)結(jié)構(gòu)的超晶格Se/Si6/VI/Si5/Se具有更好的能帶特性。而在第四章

7、中，我們用原子替位的方法在Si(001)面上設(shè)計(jì)了一種新的超晶格Si1-yXy/Si(X=C,Ge,Sn,Ti,Zr；y=0.125,0.25,0.5)，計(jì)算表明超晶格Si1-ySn/Si(y=0.125)和Si1-yGey/Si(y=0.125,0.25)具有直接帶隙結(jié)構(gòu)。對(duì)上面兩類超晶格能帶結(jié)構(gòu)的分析，使我們認(rèn)識(shí)到降低晶體的對(duì)稱性能有效改變晶體的能帶結(jié)構(gòu)，而選擇芯態(tài)較大且與硅的電負(fù)性差小的插層原子能有助于硅基超晶格的能帶結(jié)構(gòu)向直接帶

8、隙轉(zhuǎn)變。 在第五章中，嘗試在硅和鍺中分別摻入V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni，討論了它們對(duì)硅，鍺稀磁半導(dǎo)體的影響。認(rèn)為摻入Cr、Mn、Fe原子容易獲得較大的磁矩，而且摻Mn的鐵磁性最明顯。而后討論了在硅，鍺不同的格點(diǎn)上摻入Cr、Mn、Fe的稀磁性質(zhì)。研究表明，Cr摻雜的稀磁材料大多表現(xiàn)為反鐵磁性；Mn摻雜的硅基材料鐵磁性滿足長(zhǎng)程鐵磁性與短程反鐵磁性競(jìng)爭(zhēng)理論，而鍺基Mn摻雜稀磁材料的鐵磁性更適合用RKKY模型解釋；Fe摻雜的稀磁材