四面體非晶碳及摻雜氮、硼、磷的第一性原理研究.pdf

1、四面體非晶碳具有極其優(yōu)異的物理化學(xué)性能：硬度高、楊氏模量高、摩擦系數(shù)小、耐磨損、抗化學(xué)腐蝕、生物相容性好、光學(xué)帶隙寬、紅外透過(guò)，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。但是四面體非晶碳的電導(dǎo)率過(guò)低，限制了其作為半導(dǎo)體薄膜的應(yīng)用，因而摻雜氮、硼、磷對(duì)其導(dǎo)電性進(jìn)行改善及制備p型和n型半導(dǎo)體受到了廣泛的關(guān)注。目前對(duì)摻雜機(jī)理的研究非常有限，基礎(chǔ)理論發(fā)展的滯后限制了其應(yīng)用的步伐，并且實(shí)驗(yàn)上還無(wú)法對(duì)非晶碳進(jìn)行原子尺度的研究。本文即通過(guò)第一性原理研究非摻雜及摻雜氮、

2、硼、磷四面體非晶碳的顯微結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)及其相互關(guān)系，分析氮、硼、磷的摻雜機(jī)理。
　　結(jié)構(gòu)建模采用的是“液體-淬火”方法，模擬過(guò)程分為四個(gè)部分：自發(fā)熔化過(guò)程、液體平衡過(guò)程、非平衡冷卻過(guò)程和固體平衡過(guò)程。采用基于第一性原理的分子動(dòng)力學(xué)方法，得到的結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)吻合良好，比先前的任何模擬結(jié)果都更接近于實(shí)驗(yàn)值。
　　在所有模型中，費(fèi)米能級(jí)附近都有電子態(tài)，并且隨著密度增加，費(fèi)米能級(jí)附近電子態(tài)逐漸減少。費(fèi)米能級(jí)附近的電子態(tài)主要是sp2碳原子

3、的貢獻(xiàn)。相比多個(gè)原子組成的大環(huán)，在三個(gè)原子和四個(gè)原子組成的小環(huán)結(jié)構(gòu)中，碳原子σ-σ*躍遷能級(jí)降低。缺陷碳原子局域電子態(tài)密度的特征是一個(gè)尖峰跨過(guò)費(fèi)米能級(jí)。表面費(fèi)米能級(jí)附近的電子態(tài)密度遠(yuǎn)高于體結(jié)構(gòu)。
　　氮的配位與密度沒(méi)有明顯關(guān)系，主要是以三配位存在，其次是兩配位，四配位氮的比例很小。摻氮后碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的sp3含量大大降低。通過(guò)對(duì)電子結(jié)構(gòu)的分析，氮摻入后并未使費(fèi)米能級(jí)發(fā)生明顯移動(dòng)。兩配位和三配位氮原子以非摻雜形態(tài)存在于碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，起不

4、到n型摻雜的作用，四配位摻雜的氮原子可以起到一定的有效摻雜的作用，但其影響有限，整體來(lái)看摻氮后費(fèi)米能級(jí)沒(méi)有發(fā)生明顯移動(dòng)。氮還有一個(gè)明顯的副作用，摻氮使碳網(wǎng)絡(luò)sp2含量大大增加，這樣帶隙間定域態(tài)被增強(qiáng)，不利于費(fèi)米能級(jí)移動(dòng)。
　　硼的配位與密度沒(méi)有明顯關(guān)系，主要以三配位和四配位形式存在，有極少量的五配位原子，其中三配位原子含量略高于四配位原子。四配位硼有兩個(gè)摻雜效果，一個(gè)是使近鄰及次近鄰缺陷碳原子的電子態(tài)從費(fèi)米能級(jí)向?qū)в幸晃⑿∑疲?/p>

5、位于略高于費(fèi)米能級(jí)處，這樣增強(qiáng)了費(fèi)米能級(jí)附近的定域態(tài)傳導(dǎo)；另一個(gè)是使臨近sp3碳原子的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，與非摻雜結(jié)構(gòu)相比，其電子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)明顯的p型摻雜特征。摻硼后費(fèi)米能級(jí)向價(jià)帶移動(dòng)，即硼起到了p型有效摻雜的作用。
　　磷有四種配位，隨著密度的增加，磷原子逐漸從兩配位向五配位過(guò)渡。摻磷后費(fèi)米能級(jí)從價(jià)帶向?qū)б苿?dòng)，這表明摻磷有利于n型半導(dǎo)體摻雜。其摻雜機(jī)理是磷在帶隙間產(chǎn)生了分立能級(jí)，并且使其臨近碳原子在帶隙間產(chǎn)生了分立能級(jí)。其中四配