新型硫族和卤族光电半导体的第一性原理计算研究

论文摘要

现代社会的进步离不开电子信息技术的发展,而电子信息技术的发展又离不开半导体材料的发现及应用。半导体材料可以应用于太阳能电池、场效应晶体管、发光二极管等功能器件上,是这些器件的核心部分。对于传统的半导体材料而言,它们的性质已被了解得较为透彻,相关的应用也较为成熟。近年来,硫族和卤族光电半导体材料例如Cu2ZnSnSe4和CH3NH3PbI3引发了研究热潮。科研工作者对它们的基本特性有了较为清晰的认识。然而,对于一些结构新颖的硫族和卤族光电半导体材料例如具有低维结构的Bi2S3,WSe2和Cs4PbBr6的基本性质及它们在太阳能电池、场效应晶体管,发光二极管上的性能表现,尚缺乏深入的理论研究。基于此,我们就四类新型硫族和卤族光电半导体材料的特性展开了研究。本论文共有7章。第1章介绍了半导体的发展及硫族和卤族光电半导体材料在太阳能电池、场效应晶体管及发光器件方面的应用。第2章简要地介绍了本论文涉及的计算方法,包括密度泛函理论和缺陷计算。缺陷性质是光电半导体非常重要的属性,且本文后续章节多涉及缺陷性质的讨论,因此,在计算方法中给出详细的解释,方便读者理解。第3章和第4章从第一性原理计算的角度研究了两种具有低维结构的新型硫族光电半导体Bi2S3和WSe2的缺陷性质。Bi2S3独特的准一维结构对于缺陷性质产生了很大的影响,使其本征缺陷的性质与传统的共价二元半导体的缺陷性质很不相同。Bi2S3的本征缺陷主要为施主缺陷,这解释了实验上观察到的本征n型导电的现象。而最主要的本征缺陷多为深能级缺陷,这在很大程度上限制了Bi2S3作为光吸收材料和感光材料的应用。除本征缺陷外,我们还研究了一系列掺杂缺陷对Bi2S3的影响:发现由于掺杂限制规律的作用,在Bi2S3中较难实现良好的p型掺杂,Pb元素是我们研究的掺杂元素中唯一能使Bi2S3呈现为弱p型导电的;其他元素掺杂使Bi2S3表现为n型导电,其中Cu,Br,Cl元素掺杂既不会引入深能级缺陷又能获得良好的n型导电。因此,Cu,Br,Cl元素掺杂的Bi2S3可以做良好的n型电子接收材料和对电极材料。缺陷性质不仅是衡量太阳能电池材料性能的一个重要指标,也是衡量场效应晶体管中半导体材料导电性能的重要指标。WSe2这种层状过渡金属二硫化物,可以用来制作场效应晶体管。通常,场效应晶体管材料要求有良好的双极性导电。然而实验上报道WSe2的n型掺杂效果不如p型掺杂效果好。我们从缺陷角度研究了一系列元素掺杂的情况,筛选了合适的p型和n型掺杂元素。WSe2中本征缺陷的形成能均较高,从而可以获得高浓度的外来元素掺杂。从元素掺杂的计算结果分析,可以看到Nb和Ta掺杂可以获得良好的p型导电;而Re,Ru和Os掺杂使样品呈现出n型导电但掺杂效果不如Nb和Ta。第5章我们转向了另一类热点材料四元双钙钛矿卤化物（Cs2AgBiBr6和Cs2AgBiCl6）。我们采用不同交换关联势对Cs2AgBiBr6和Cs2AgBiCl6的热力学稳定性进行了研究,发现从理论上预测它们的热力学稳定性是非常依赖于交换关联势的,并指出了采用optB88-vdW交换关联势来研究双钙钛矿卤化物的热力学稳定性和结构性质是最为合适的。第6章我们对零维金属卤化物钙钛矿包括有机无机杂化零维金属卤化物钙钛矿(C4N2H14X)4SnX6（X=Br,I）和全无机零维金属卤化物钙钛矿Cs4PbBr6的发光机理进行了研究。我们讨论了电子结构的性质,自俘获激子的性质和缺陷俘获激子的性质等。这一系列性质的研究和讨论,对于实验上观察到的(C4N2H14X)4SnX6（X=Br,I）和Cs4PbBr6光物理特性给出了充分、合理的解释。第7章回顾了本论文的主要结论并对新型硫族和卤族光电半导体材料的应用进行了展望。

论文目录

摘要

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第1章绪论

1.1 半导体的发展

1.2 硫族和卤族光电半导体材料在太阳能电池方面的应用

1.2.1 太阳能电池的工作原理简述

1.2.2 硫族和卤族光电半导体材料

1.3 硫族和卤族光电半导体材料在场效应晶体管方面的应用

1.3.1 场效应晶体管基本构造简述

1.3.2 硫族和卤族光电半导体材料

1.4 光致发光机理及卤族半导体发光材料

1.4.1 光致发光机理

1.4.2 卤族半导体发光材料

1.5 本文的出发点

第2章理论基础及计算方法

2.1 密度泛函理论

2.2 缺陷计算

2.2.1 缺陷形成能

2.2.2 形成能的修正方法

2.2.3 缺陷离化能级及修正

2S₃光伏特性的影响'>第3章缺陷对Bi₂S₃光伏特性的影响

3.1 引言

3.2 计算方法

3.2.1 缺陷形成能以及离化能级

3.2.2 晶体结构和掺杂位点

3.3 结果与讨论

3.3.1 本征缺陷

3.3.2 掺杂缺陷

3.4 小结

2双极性掺杂的研究'>第4章 WSe₂双极性掺杂的研究

4.1 引言

4.2 计算方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 晶体结构和掺杂位点

4.3.2 本征缺陷性质

4.3.3 掺杂缺陷性质

4.4 小结

第5章交换关联势对四元双钙钛矿卤化物热力学稳定性的影响

5.1 引言

5.2 计算方法

5.3 结果与讨论

5.3.1 热力学稳定系的预测

5.3.2 PBE交换关联势失效的原因

5.3.3 二元卤化物杂相的总能比较

5.3.4 不同交换关联势对晶格常数的影响

5.3.5 不同交换关联势对能带的影响

5.4 小结

第6章零维金属卤化物钙钛矿的发光机理的研究

6.1 引言

6.2 计算方法

6.3 结果与讨论

6.3.1 电子结构的性质

6.3.2 激子的性质

6.3.3 卤族空位缺陷俘获激子

4N₂H₁₄X)₄SnX₆（X= Br,I）发光机理'> 6.3.4 (C₄N₂H₁₄X)₄SnX₆（X= Br,I）发光机理

4PbBr₆热力学淬灭及发绿光的原因'> 6.3.5 Cs₄PbBr₆热力学淬灭及发绿光的原因

6.4 小结

第7章结论与展望

参考文献

作者简历及在学期间所取得的科研成果

致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 韩丹

导师: 孙得彦

关键词: 第一性原理计算,半导体,缺陷,掺杂,热力学稳定性,光致发光

来源: 华东师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 华东师范大学

分类号: O472

总页数: 144

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