半導體納米粒子能隙與拉曼頻率尺度效應的研究.pdf

1、當材料尺度進入到納米量級，就會表現出與塊體材料不同的性能。例如半導體納米粒子就具有特殊的光學、電學、磁學、熱力學等不同于塊體結構的性能，這類材料對光電轉換、存儲設備、傳感器、顯示技術等領域有著極其重要的影響。因此半導體納米材料引起了廣泛的關注和大量的研究。關于半導體光學性能的研究大多數集中在實驗和計算模擬。在理論方面，目前有量子限制理論和鍵序-鍵長-鍵強(BOLS)理論較為著名。但是這些理論模型中都存在有較多的自由變量，從而限制了這些理

2、論模型的應用。因此建立一個可變參數少，且在全尺寸范圍內都適用的理論模型有必要的。
　　在本論文中，引入鍵數作為唯一變量來描述半導體納米粒子的能隙和拉曼頻率的尺度依賴。在納米尺寸范圍內，由于高表面能的影響，為了獲得較穩(wěn)定的結構，原子會聚集在一起形成新的結構來減小表面能。目前有很多關于納米粒子形狀的結構模型，例如切角八面體結構(TO)、二十面體(IH)、十面體(TH)等。因此用鍵數來描述納米粒子的物理性能，不僅要考慮尺寸的影響，還要考

3、慮到納米粒子形狀帶來的影響。研究發(fā)現，一種特殊的切角八面體(Cubo)結構因在納米尺寸具有較穩(wěn)定的結構得到廣泛的應用，尤其是有效的描述了結合能和熔點的尺度依賴的問題。因此本文采用Cubo結構來描述所研究的半導體納米粒子的形狀。
　　本論文以IV族半導體Si、II-VI族半導體(CdS、CdSe、ZnS、ZnSe、CdTe)、氧化物半導體(SnO2、CeO2)、III-V族半導體(InP)等納米粒子為研究對象，采用熱力學理論分別解析

4、了能隙和拉曼頻率隨尺度的變化規(guī)律：
　　1.建立了半導體納米粒子能隙的尺度依賴模型，其中鍵數是所需要確定的唯一的變量。模型預測結果顯示，隨著尺度的降低能隙逐漸增大，并且當粒子尺度D<5 nm時出現明顯的增長趨勢。該模型的預測結果與相應的實驗結果和第一原理計算結果相吻合。在該模型中，納米材料能隙Eg(D)的變化范圍為Eg(∞)≤Eg(D)<2Eg(∞)，其中Eg(∞)為塊體材料的能隙。該模型解釋了能隙隨尺寸變化的原因在于原子鍵數逐漸

5、減小，直接導致系統(tǒng)結合能的減弱，從而致使能隙增大。與同樣是從能量角度出發(fā)的Yang等人的模型相比，發(fā)現當粒子尺度相同時，該模型預測的能隙值略小于Yang的模型，其原因在于在建立Cubo結構時，并未考慮納米粒子表面空位和內部缺陷，然而本文所建立的能隙模型卻相對其他理論模型更為簡便、有效。
　　2.通過解析配位數與原子熱振幅隨尺度的變化規(guī)律，建立了半導體納米粒子拉曼頻率的尺度依賴理論模型。在本模型中，鍵數仍然是唯一需要確定的變量。理論

6、模型預測結果與一系列的半導體單質、化合物，以及半導體合金納米粒子的實驗和計算模擬結果能夠很好的符合。研究發(fā)現，隨著納米粒子直徑的減小，拉曼頻率逐漸減小，并且在尺寸下限出現較快的下降趨勢。半導體納米粒子的紅移現象，其原因在于隨著尺寸降低，表面原子缺鍵所占的比例不斷的增大，導致體系結合能降低，原子束縛能力降低，從而導致熱振幅增大，振動頻率減小，拉曼光譜出現紅移。模型預測結果的合理性，也說明我們所建立的模型可以同時預測不同的半導體納米粒子。因