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文檔簡介
1、Ⅲ-Ⅴ族半導體納米線由于優(yōu)越的物理化學性質(zhì)以及與現(xiàn)有的硅基工藝相兼容等特點使得它們在納米級電子和光電子器件領(lǐng)域極具潛力。由于電子器件的輸運性質(zhì)以及光電器件的光學吸收和激發(fā)主要由材料的電子性質(zhì)所決定,因此要實現(xiàn)Ⅲ-Ⅴ族納米線在各類器件上的應(yīng)用,理解其基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)是根本條件。受維度限制和大的表面比等因素的影響,Ⅲ-Ⅴ族半導體納米線展現(xiàn)出許多不同于體相材料的表面形貌和新奇的電子性質(zhì)。并且在納米尺度下,Ⅲ-Ⅴ族半導體納米線的結(jié)構(gòu)和電子性
2、質(zhì)與其尺寸、晶相、晶面和組分密切相關(guān),這使得單純依賴實驗的手段去探索納米線結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)變得十分困難。為此,本論文采用全量子密度泛函理論的第一性原理計算方法,系統(tǒng)地研究了尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、晶相效應(yīng)以及組分效應(yīng)對Ⅲ-Ⅴ族半導體納米線(包括磷化銦、磷化鎵以及砷化鎵)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子性質(zhì)的影響,目的旨在探索Ⅲ-Ⅴ族半導體納米線結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)在微觀尺度的調(diào)控機制,為實驗上實現(xiàn)Ⅲ-Ⅴ族半導體納米線的可控制備與應(yīng)用提供一定的理論指導。研究的主要內(nèi)
3、容和結(jié)論如下:
1.首先系統(tǒng)研究了Ⅲ-Ⅴ族半導體(包括磷化銦、磷化鎵以及砷化鎵)在四種不同晶相(2H,4H,6H和3C相)中的電子性質(zhì)。研究結(jié)果表明:隨著晶相從閃鋅礦結(jié)構(gòu)(3C相)向纖鋅礦結(jié)構(gòu)(2H相)轉(zhuǎn)變,磷化鎵的帶隙逐漸減小,并且能帶結(jié)構(gòu)也從間接帶隙半導體過渡到直接帶隙半導體;而在磷化銦和砷化鎵材料中則呈現(xiàn)出相反的趨勢,即隨晶相從閃鋅礦結(jié)構(gòu)逐漸過渡到纖鋅礦結(jié)構(gòu),其帶隙逐漸增大,并且均是直接帶隙半導體。
2.進而研
4、究了表面和尺寸效應(yīng)對纖鋅礦相的磷化銦納米線結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子性質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明:纖鋅礦相的磷化銦納米線的表面為低指數(shù)、非極性的{1100}和{1120}面,但這些晶面的分布和表面形貌與這些面的表面能直接相關(guān)。表面形成能的計算表明,{1100}面較{1120}面有更低的能量,有利于磷化銦納米線的表面更容易形成{1100}的晶面,這與實驗的觀察非常吻合。電子結(jié)構(gòu)的計算表明:隨著納米線尺寸的減小,納米線的帶隙不斷增大。并且,當納米線尺寸較
5、大,超過3納米時,具有{1120}晶面越多的納米線帶隙越大;而當納米線尺寸小于3納米時,則含{1100}面比例越多的納米線帶隙越大。這表明可以通過尺寸和晶面對磷化銦納米線的帶隙進行調(diào)控。
3.詳細調(diào)查了晶面和晶相效應(yīng)對磷化鎵納米線結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子性質(zhì)的影響。研究結(jié)果表明:對于不同晶相的磷化鎵納米線,其穩(wěn)定性是晶相與晶面競爭關(guān)系的結(jié)果。在較大尺寸下,由晶相決定了納米線的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,磷化鎵納米線容易形成具有孿晶位錯的閃鋅礦相納米線
6、;而在尺寸較小的情況下,則由晶面決定納米線的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,更容易形成纖鋅礦相的納米線。這些結(jié)果有助于理解磷化鎵解納米線晶體結(jié)構(gòu)的形成。對于磷化鎵納米線的電子結(jié)構(gòu)(包括能帶結(jié)構(gòu)特征和帶隙)同樣也受納米線尺寸和晶相的影響?;谟嬎憬Y(jié)果,得到了磷化鎵納米線帶隙隨尺寸變化的定量關(guān)系,并且理論計算值和實驗值吻合的非常好,這表明可以通過納米線尺寸和晶相來調(diào)控Ⅲ-Ⅴ族納米線的電子性質(zhì)。
4.最后系統(tǒng)調(diào)查了組分和尺寸效應(yīng)對砷化鎵/磷化鎵核殼結(jié)構(gòu)
7、納米線的電子能帶結(jié)構(gòu)及載流子空間分布的影響。研究發(fā)現(xiàn):磷化鎵的殼層對砷化鎵納米線進行鈍化可以消除表面態(tài)的影響,從而得到本征半導體的特征。進一步的研究發(fā)現(xiàn),砷化鎵/磷化鎵核殼結(jié)構(gòu)納米線的帶隙、能帶結(jié)構(gòu)特征以及帶階都受核殼組分比、尺寸以及晶相的影響。即所有的纖鋅礦相的核殼結(jié)構(gòu)納米線都是直接帶隙半導體,而閃鋅礦相的核殼結(jié)構(gòu)納米線隨著核殼組分比x的升高而出現(xiàn)間接帶隙向直接帶隙的轉(zhuǎn)變;并且,當納米線尺寸小于5納米時是一種贗Ⅰ型帶階的半導體,尺寸增
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