刘承师[1]2003年在《半导体量子点分子的电子结构及其动力学性质》文中研究表明本文研究了与量子点分子实验和理论有关的两个重要问题：(1)半导体自组织量子点在量子阱(DWELL)中的电子能谱结构及光学性质，分析了结构参数和组分对它们的影响。(2)交变电场驱动下半导体量子点分子中载流子系统的动力学行为，深入研究了其中电子和电子之间相互作用、电子空穴之间的相互作用、电子自旋之间相互作用对动力学行为，特别对动态局域化行为的影响。在理论分析的基础上，进一步对可能出现新的物理效应进行预测。 第2章中，在有效质量近似框架内，采用绝热近似，计算了量子阱中InAs／In_xGa_(1-x)As自组织量子点(DWELL)的电子能谱和光学性质。计算表明，电子能级随受限势的增大而升高，并随着量子点的尺寸的增大而降低，而且量子阱的宽度和量子点浸润层的厚度增加也会导致能级有所降低。说明(DWELL)结构参数变化会使光致发光峰发生相应的蓝移或红移。在本章的另一部分，采用相同的方法，又计算了量子阱中GaN／Ga_xAl_(1-x)N自组织量子点(DWELL)的电子结构和光学性质，计算结果与前面的计算一致。这项工作为这种新型结构量子点激光器的设计提供了物理模型和理论依据。 利用两点Hubbard模型，应用Floquet定理，在第3章中，研究了在交变电场驱动下双量子点分子中激子的动力学行为。虽然与双量子点分子中双电子系统相比，库仑作用与外加交变电场所起的作用正好相反，但它们在两系统所起的作用是不一样的，另外电子和空穴在两量子点中的隧穿系数是不同的。尽管如此，计算表明在准能的某些交叉点，初始局域在一个量子点中的激子，在演化过程中依然能保持动态局域化。计算也表明，增加电子空穴之间的相互作用，弱场区激子的动态局域化程度会得到加强。 在第4章中，利用叁点Hubbard模型，应用Floquet定理，研究了在交变电场驱动下耦合叁量子点分子中激子的动力学行为。在强交变电场驱动下，哈密顿中隧穿项可当做微扰来处理。通过计算不同Floquet态之间的跃迁矩阵元，发现当参数|k|／ω=n是偶数时，驱动交变电场满足J_n(V／ω)=0时，所有可能的量子跃迁矩阵元都是0，即量子跃迁受到抑制，所有初始分布状态在短时间内都能保持。当
宋鑫[2]2013年在《基于有效质量理论的半导体量子点电子结构的研究》文中研究说明近年来,在半导体纳米技术领域中,与量子点(QD)等半导体纳米单元结构功能相关的量子点生长制备技术及其光电器件的应用成为了研究热点,主要是由于纳米功能单元在单芯片上集成是衡量半导体纳米技术发展的标准。本论文围绕量子点的电子结构特性以及生长机制展开相关的理论研究,主要研究内容如下：1.在连续弹性理论的框架下,基于有效质量近似理论,利用有限元方法(FEM)研究了应变补偿层对量子点的应力场以及对InAs/GaAs量子点的补偿作用。分别研究了应变补偿层的位置的和N浓度对量子点导带,价带,电子和空穴的能级影响的规律,并在研究的基础上提出了补偿浓度和补偿位置的优化补偿方案。2.在研究完应变补偿层对量子点电子结构的影响后,进一步对量子点电子结构的外界影响条件做了研究。建立在机械外力作用下的量子点几何模型,在有效质量近似理论和有限元方法(FEM)的理论基础上,研究InAs/GaAs半导体量子点在机械外力方向和大小不同的情况下的应变场和带边的变化规律,以及电子和空穴能级的变化规律,为实验中实现外力调控量子点发光波长提供了理论依据。3.在以上两章对外界条件对量子点电子结构影响规律的研究基础上,对量子点的生长做了更深入的研究。利用动力学蒙特卡罗方法模型,基于图形沉底结构研究了S-K生长模式下的半导体自组织量子点生长。深入研究了温度、沉积速率和生长停顿时间等生长参数对生长表面形态分布及岛的数量分布的影响。这些为量子点的规则生长、优化工艺和调整提供了理论依据。
孙晓甜[3]2016年在《IV和VA族新型纳米材料的电子结构、性能调控及其与酶相互作用的理论研究》文中认为随着石墨烯材料的崛起,二维碳、硅等纳米材料近年来成为物理、材料、生物、化学等领域的研究热点,吸引了众多科研工作者的研究热情。同时新型二维纳米材料不断被发现和研究,比如III-VA族元素构成的二维混合单层材料,砷和锑的二维单层材料等。这些二维纳米材料具有与块体材料迥异的物理和化学性质,在纳米电子器件和生物医学等领域有着重要的应用前景和发展潜力,是目前纳米材料科学中的研究热点。硅,作为碳的同主族元素,其类似于石墨烯结构的二维硅烯材料具有和石墨烯类似的电子性质,即存在近似无质量的超快狄拉克费米子,而硅与当前电子器件材料有更好的兼容性,使得其在未来超快微电子和自旋电子器件方面有良好的应用前景。通过第一性原理计算,系统地研究了过渡金属原子从Sc到Zn嵌入在硅烯单空位和双空位缺陷后其结构的稳定性和磁性。其中,Sc、Ti和Co与硅烯空位的结合能最低,在-6 eV左右;Zn原子的结合能最高为-2 eV。通过研究进一步发现,硅烯本身是不具有磁性的二维材料,但是通过嵌入过渡金属原子(V到Co)可以有效调控硅烯材料的磁性,其中单空位中嵌入Fe原子以及双空位中掺杂Mn原子可以得到大于3μB的有效磁矩。另外,在此基础上掺杂N或者C原子可以进一步增强体系的磁性。磁性的导入为设计硅基纳米自旋电子器件提供了可能性,然而硅烯要想用作器件还必须具有合适的带隙。硅烯零带隙的特殊电子结构限制了以硅烯为沟道的电子装置的关态,导致电流开关比偏低,因此对硅烯电子结构进行一定的调控可以有效拓展硅烯的应用。我们从理论上设计了二维单层III-VA族化合物作为衬底来调控硅烯带隙。采用第一性原理计算系统地研究了单层III-VA族化合物衬底对硅烯的结构和电子性质的影响。对于具有平面结构III-VA族化合物,其与硅烯最稳定的堆迭方式为环环匹配。其中AlN,GaN,和GaP与硅烯之间形成异质结构后,可以在K点打开一个有效的0.1-0.3 e V的带隙。而GaP材料与硅烯材料晶格匹配度最高,通过施加垂直方向的电场可以进一步实现小范围带隙的连续调控。这部分结果为硅烯在不同衬底上的生长提供了理论指导,推动了硅烯在半导体纳米器件中的广泛应用。由于单层硅烯的结构不稳定性,通过对其氢化可以使其稳定性增强,完全氢化以后的硅烯是硅烷,硅烷是具有2.5ev带隙的半导体材料。通过对硅烷部分去氢设计出连续可调带隙的二维硅基材料材料。采用紧束缚和密度泛函相结合的方法系统地研究了大尺度硅烷结构,拟合出二维硅烯的合理紧束缚参数,并通过沿六边形、叁角形、zigzag方向、armchair方向对硅烷材料进行去氢考察其结构稳定性和电子性质。我们的研究结果表明沿着六边形状去氢不但最容易实现,而且在硅烷材料上可实现带隙连续调控。尽管iva族纳米材料(硅烯等)的研究取得很大的进展,为了弥补iva族纳米材料的不足,多种新型二维纳米材料被理论和实验相继发现,其中包括最新实验合成的第va族材料砷烯和锑烯,它们具有和硅烯类似的二维六角结构,由于其宽带隙特性,使其未来可能作为蓝光和uv光下工作的光学器件材料。采用第一性原理方法系统地研究了砷烯和锑烯结构中存在的典型的缺陷结构、稳定性和磁性性质。考虑了典型点缺陷结构,这包括stone-wales(sw)缺陷、单双空位缺陷(svs和dvs)以及吸附原子(adatom)。两个单空位缺陷结合可以形成一个能量更低的双空位缺陷结构。在锑烯上存在555|777的双空位结构,这种缺陷结构的出现可以使其从间接带隙半导体转变成为直接带隙半导体。而单空位缺陷以及吸附原子使得这些半导体材料转变为金属性,且吸附原子行为并不稳定。理论结果为砷烯和锑烯等新型二维材料的生长和应用提供了重要的理论参考。与硅烯类似的石墨烯不仅具有优异的电子性质、稳定存在,而且还具有良好的生物相容性。因此这些材料可以被制成智能化微型电子器件进入生物体内。蛋白质是生命的最小单位,了解纳米材料与生物蛋白之间的相互作用机制是纳米材料在生物体内应用的关键。计算结果表明胰凝乳蛋白酶(cht)可以吸附在石墨烯以及不同曲率的氧化石墨烯(go)表面。通过酶的阳离子和疏水残基吸附在go表面,使得go对酶有很强的抑制作用,我们的结果系统的阐述了go对胰凝乳蛋白酶抑制作用机制。同时,还发现go对胰蛋白酶也有类似的效果。另外,由硅元素构成的硅量子点具有无毒易分解代谢的特性,因此我们使用分子动力学方法深入研究了半径尺寸为4nm和11nm的硅纳米粒子对几种酶(包括细胞色素c,rnasea和溶解酵素酶等)方向位点以及吸附作用的影响。结果表明这叁种酶都可以吸附在4 nm和11 nm的硅纳米粒子表面,并且尺寸相对较小的硅纳米粒子将会引入一个更稳定的结构。此外进一步探索了纳米粒子表面不同官能团(-OH、-COOH、-NH2、CH3)修饰对细胞色素C的影响,其中-COOH修饰的硅纳米粒子对细胞色素C的影响最小。理论结果表明硅纳米颗粒和酶之间存在选择性相互作用。本论文通过第一性原理计算和分子模拟,系统的研究了硅烯、硅烷、石墨烯、氧化石墨烯、硅量子点、砷烯和锑烯等新型纳米材料,探讨了其稳定性、结构与性能之间的理性机制、提升其性能的途径、以及其在光电器件和生物医学等中的应用。
罗志徽[4]2006年在《ZnSe/SiO_2半导体量子点玻璃的光谱特性研究》文中研究表明近年来，由于Ⅱ-Ⅵ族半导体量子点玻璃所具有的纳米材料的特殊性质(如量子尺寸效应、表面效应和介电限域效应等)、高的叁阶非线性光学效应和快速的光响应时间等优异的光学特性，预期将在光计算、光通讯及光电效应器件等方面具有很重要的应用前景，使之成为当前光功能材料研究的热点。 ZnSe/SiO_2半导体量子点玻璃是指ZnSe半导体纳米晶镶嵌于玻璃基质的一种0-3型纳米复合功能材料。ZnSe是典型的宽禁带直接带隙的Ⅱ-Ⅵ族半导体化合物，具有非常优异的光电性能，是蓝绿发光的重要候选材料，所以选择ZnSe作为纳米复合材料的功能活性组元具有重要的意义。但由于ZnSe纳米晶表面原子配位不足，存在大量的悬空键，很容易与环境中的物质发生反应而逐渐变质，因此纳米晶在空气中通常不稳定并发生团聚，使其应用受到限制，而将其镶嵌于玻璃基质中可以使纳米晶的稳定性得到改善。并且，半导体量子点微粒分散在玻璃基质中会表现出较强的介电增强现象，将表现出更多新的特性，充分发挥复合材料特有的优点。 由于对ZnSe/SiO_2半导体量子点玻璃的研究很少见，所以，对ZnSe/SiO_2半导体量子点玻璃的光学表征必将提高我们对这种材料的光学性能的认识，也为Ⅱ-Ⅵ族半导体量子点玻璃的光学性质的研究提供更多实验资料。本文采用UV-Vis透射光谱、稳态发射光谱和时间分辨荧光光谱和飞秒分辨瞬态吸收光谱等技术分别对采用溶胶凝胶法制备的ZnSe/SiO_2半导体量子点玻璃进行了实验研究，并结合有效质量模型进行了光谱表征和综合分析，以全面地了解这种纳米复合功能材料的微观结构、能级结构、发光特性和载流子动力学等信息。这不但有利于更深入地理解Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体量子点玻璃的光学性质，并且为材料制备人员提供必要的反馈信息，进一步改良制备方法以制造出更适合实际应用的复合材料。 实验表明，所采用的多种光谱方法可以有效全面地表征半导体量子点玻璃的光学特性，既可以间接地得到材料的多方面的信息，如纳米晶的平均大小、尺寸分布、表面状态及掺杂情况等，又能够了解纳米晶内载流子动力学，如载流子的驰豫发光方式及荧光衰减寿命等。这将为人们更好地理解这种材料及其光学性能提供强大的技术支持。 本文详细地介绍了半导体量子点玻璃的基本特性及其电子结构的分析理论、
耿振铎[5]2017年在《半导体材料GaN,SiGe和ZrS_2基低维体系的电子结构和光学性质研究》文中研究表明近年来,随着全球对能源需求的不断增加,越来越多的科学家开始关注和研究新型节能环保的光电材料,其中一些基低维结构以及二维类石墨烯材料因其具有合理带隙值和优良的发光效率等性质被广泛应用于晶体管、半导体激光器及太阳能电池等领域。本文首先运用变分法对纤锌矿InGa N staggered量子阱和直接带隙Ge/Si Ge量子阱中的激子态和光学性质进行了研究。然后运用基于第一性原理的密度泛函理论方法研究了类石墨烯结构Zr S_2纳米片的n和p型掺杂对其电子结构、形成能和跃迁能级的影响,还进一步研究了不同Se浓度下二维Zr S_2-xSex合金的光学性质。论文第一章论述了半导体材料的研究进展,并介绍了Ga N、Si Ge、二维过渡金属硫化物材料的相关性质和应用。第二章介绍了激子态,变分法,第一性原理方法及掺杂的形成能等理论基础。第叁章到第六章研究了纤锌矿In Ga N staggered量子阱和直接带隙Si Ge量子阱中的光学性质,V和VII族元素掺杂对二维ZrS_2单层纳米片电子结构的影响以及Se取代二维Zr S_2单层时的电子结构和光学性质。本文的主要研究内容可以分为四大部分:1)利用变分法研究了纤锌矿In Ga N staggered量子阱的激子态和光学性质。计算结果显示了InGa N量子阱的量子尺寸、铟含量和极化电场对束缚于量子阱中的激子态和光学性质有着明显的影响。对于对称结构InGa N staggered量子阱,发现极化电场对线性光极化率影响很大,当阱宽和铟含量增加时,基态激子结合能和振子强度减小而带间发光波长增大。非对称结构InGa N staggered量子阱中,不同的铟含量下,随着In0.15Ga0.85N层的宽度增加,基态激子结合能和振子强度存在极大值,基态激子结合能和振子强度的斯塔克效应存在极小值,而带间发光波长单调变化。本文的理论结果表明可通过改变staggered垒高、铟的含量及量子尺寸来调控In Ga N staggered量子阱的光学性质,为进一步制备In Ga N基蓝绿发光二极管等纳米光电子器件提供了理论基础。2)利用变分法研究了激光场及量子尺寸对直接带隙Ge/Si Ge量子阱中激子态和光学性质的影响。数值计算结果表明激光场以及量子尺寸对直接带隙Ge/Si Ge量子阱内带间光跃迁能、基态激子结合能的影响很明显。在不同的激光场强度下,当量子阱宽度增加时,带间光跃迁能趋势是减小的。而基态激子结合能随着阱宽的变化有一个最大值。在给定的量子阱宽度下,带间光跃迁能随着激光场强度的增加而单调增加,然而基态激子结合能则随之单调减小。研究也发现:在闪锌矿直接带隙Ge/Si Ge量子阱中,在阱宽很小的时候,由于量子尺寸效应,带间光跃迁能和基态激子结合能对激光场非常敏感。3)基于第一性原理方法研究了V和VII族元素掺杂对二维ZrS_2纳米片的电子结构的影响。结果表明ZrS_2纳米片晶格常数和键长dZr-S是3.68埃和2.57埃,ZrS_2单层属于间接带隙半导体材料,带隙为1.127 e V。N掺杂ZrS_2单层时,自旋向上和向下的自旋态密度是对称的,即N掺杂Zr S_2单层显示非磁性基态。P和As掺杂Zr S_2单层,自旋向上和向下自旋态密度是不对称的,即P和As掺杂ZrS_2单层系统表现出磁性基态。而且VII族元素掺杂也没有获得磁性。同时数值结果也显示了V和VII族元素的掺杂,原子半径对Zr S_2纳米片掺杂体系的跃迁能级和形成能有非常重要的影响。V族原子(N,P和As)替代Zr S_2单层S原子时,受主杂质的状态可以被诱导,而VII族原子(F,Cl和Br)掺杂能够诱导n型杂质态。特别是N原子掺杂在V族掺杂Zr S_2单层具有最低形成能和浅跃迁能级,N在ZrS_2单层的掺杂能提供有效的p型载流子而且在富Zr的环境下实验上容易实现。这些结果可能为ZrS_2纳米片系统的掺杂的进一步实验提供研究线索。4)基于第一性原理方法研究了Se取代二维ZrS_2单层时对电子结构和光学性质的影响。计算显示了当Se取代ZrS_2材料中的S元素时,其带隙降低且没有产生带隙态。这是由于Se与S元素属于同族。另外,光学性质研究也表明Se含量的增加,ZrS_(2-2x)Se_(2x)单层材料的光吸收阈值移向低能区域。因此该研究为实验上探讨调控Zr S_2单层的能带结构和光学性质提供理论基础。总之,本文研究了极化场和量子尺寸对纤锌矿In GaN staggered量子阱中光学性质的影响以及激光场对直接带隙Ge/SiGe量子阱里的激子态和光学特性的影响,研究了V和VII族元素取代二维Zr S_2纳米片中S元素导致的n和p型杂质态的电子结构以及二维ZrS_(2-2x)Se_(2x)合金电子结构和光学性质及相关物理机理。期望我们的研究成果能对相关物理实验的开展具有一定参考价值和指导作用。
张振奎[6]2010年在《金刚石及相关材料纳米结构电子性质第一性原理研究》文中研究指明第Ⅳ主族材料(金刚石、硅和锗),一直是半导体领域研究的热点材料。随着纳米材料在上世纪末的兴起,这一族半导体纳米材料受到了广泛关注,特别是纳米尺度的零维量子点。这些材料在设计纳米电子,光电子器件以及作为纳米器件构造模块等方面具有很大潜力。这些体系的量子点在纳米尺度下体现出量子限制效应,会显着改变其电子及光电子学等相关性质。本论文借助第一性原理密度泛函计算,研究了表面和空位缺陷对金刚石、硅和锗量子点的量子限制效应的影响,涉及电子性质,电子亲和势等。2003年,Dahl等人在《科学》杂志上报导了他们在实验上成功离析出纳米量级尺寸的具有叁维金刚石笼状结构和高度稳定性的碳氢化合物金刚烷,使得对sp3杂化电子结构的实验研究推进到了分子水平。在纳米尺度下,这些量子点会体现出显着的量子限制效应,即随着尺寸减小,通常来说能隙的价带边会下移而导带边会上移,导致能隙不断增大。2005和2006年,Willey等人报导了这类金刚石量子点的尺寸效应实验研究结果,他们的结果表明：随着尺寸减小,金刚石量子点的价带边会发生蓝移,而导带边没有变化。同时他们还发现导带边是由表面处的碳氢键主导,较大尺寸颗粒的带隙要小于块体的带隙。然而,对于硅和锗量子点,价带边和导带边同时具有量子限制效应。密度泛函理论计算也表明这两类量子点的能隙大于相应的块体带隙。实验研究还表明,氢化金刚石颗粒具有负的电子亲和势,对开发金刚石基电子发射器具有重要意义。而氢化的硅和锗量子点则具有正的电子亲和势,且电子亲和势的数值随量子点尺寸增大而增大。对于由碳和硅这两种元素组成的化合物半导体碳化硅量子点,实验结果也表明其电子结构和性质及其电子亲和势在一定的条件下也具有量子限制效应,但是相关的理论研究还比较滞后。对这一族材料量子点的研究还涉及到磁学性质,如经过氮和碳元素离子注入的金刚石纳米颗粒具有室温铁磁性。2007年,Liou等人报导了纳米锗颗粒具有室温铁磁性,同时还受量子限制效应的影响。众所周知,纳米体系具有较大的比表面,因而表面对其性质有着极其重要的影响。在本论文中,我们借助密度泛函理论计算研究了表面环境和重构对金刚石材料电子结构和性质的影响,以及C、Si和Ge纳米颗粒中空位缺陷引起的自旋极化及其量子限制效应,并研究了由C和Si元素组成的碳化硅半导体量子点的电子结构尺寸效应。在本论文中,第一章简要回顾了第Ⅳ主族量子点材料的研究背景,以及需要解决的问题,阐明了本论文研究的意义。并对量子限制效应的产生根源做了简要说明。第二章简要介绍了密度泛函理论的基本框架和近年来的理论发展。密度泛函理论的发展以寻找合适的交换相关能量泛函为主线。从最初的局域密度近似(LDA)、广义梯度近似(GGA)到现在的杂化泛函,使计算结果的精确度越来越高。最后对本论文工作所采用的主要程序ADF做了简要介绍。第叁章主要讨论了表面重构对氢化金刚石纳米颗粒的几何结构、稳定性、电子结构和电子亲和势的影响和作用。计算结果表明几何结构的变化可以在一定程度上调控禁带宽带。最低非占据分子轨道空间分布表明电荷分布主要依赖于表面碳氢键的键长,而不是表面的碳氢基团。对此我们对这一现象的起因做了详细地分析。对电子亲和势的研究结果表明：在表面碳原子被氢原子饱和的前提下,随着氢覆盖度的降低,负电子亲和势的数值呈现下降趋势,分析表明这是由于碳氢偶极矩的加强导致的。这些研究结果可以为纳米尺度金刚石基光电和电子发射器件的设计提供有益的帮助和借鉴。第四章研究了表面不同碳氢基团与金刚石纳米颗粒的几何结构,电子结构和电子亲和势及稳定性的相关性。研究结果显示,由于甲基CH3构型的存在,当尺寸大于1nm时,这类颗粒的能带隙大于不含甲基颗粒的能带隙,也大于块体金刚石的禁带宽度。电子结构研究表明,最低非占据分子能级是由表面碳氢键提供的,这与实验上观测到的X光吸收光谱特征相一致。此外,我们还发现对于氢饱和的金刚石纳米颗粒,其负电子亲和势性质依赖于表面上碳原子与氢原子数的比值C／H。第五章研究了金刚石,硅和锗纳米颗粒中空位缺陷态引发的自旋极化以及缺陷态之间的磁耦合作用。研究结果表明,在金刚石纳米颗粒中,缺陷态具有自旋极化的基态而且这一性质不随颗粒尺寸的增大而改变,即不具有量子尺寸效应。但对于硅和锗纳米颗粒,只有在尺寸很小时空位才会引发自旋极化的基态,即具有量子尺寸效应,这与实验上观察到的磁现象结果一致。另外,我们还发现在金刚石纳米颗粒中空位引起的缺陷态在邻近的位置形成铁磁耦合,而在硅和锗纳米颗中相应的位置却易于形成反铁磁耦合。第六章通过密度泛函理论计算和化学键分析,研究了氢原子饱和的第Ⅳ主族及其组合量子点的量子限制效应和电子亲和势。结果表明碳化硅(SiC)和碳锗(GeC)量子点的最高占据分子轨道(HOMO)展现出量子限制效应,而这些量子点的最低非占据分子轨道(LUMO)不显示量子限制效应。当表面被碳氢键终结时,碳化硅和碳锗量子点表现出具有负的电子亲和势,而被硅氢键或锗氢键终结时,体系的电子亲和势则为正值。化学键分析表明第Ⅳ主族量子点在量子限制效应和电子亲和势方面的上述差异起源于最近邻和次近邻原子的价层p轨道之间的相互作用。第七章对本论文进行了总结,并对以后工作做了展望。本论文在密度泛函理论框架下从理论上研究了不同的表面碳氢基团和表面重构对金刚石纳米颗粒性质的影响,研究了空位缺陷在金刚石,硅和锗量子点中自旋极化的量子限制效应,对相关实验给出了很好的解释；并对碳化硅量子点电子结构的量子限制效应做了预测,并结合已有的结果做了深入的理论分析。
贾瑜[7]2003年在《金属、半导体高密勒指数表面：表面能和电子结构》文中研究表明金属和半导体材料的高密勒指数表面是目前表面科学研究的一个热点问题，也是值得更进一步研究的问题，目前的研究主要集中在对表面几何结构的确定，而对表面电子特性的认识几乎很少涉及，本文根据目前实验上对一些表面已有的研究结果，在理论上对一些金属、半导体的高密勒指数表面的表面能和表面电子结构进行了研究。得到了如下一些结论： 1．金属表面的表面能的计算 基于半经验嵌入原子势(EAM)的分子动力学方法，对Al、Cu、Ni叁种金属位于[001]晶带和[-110]晶带的高密勒指数表面的表面能进行了分子动力学模拟计算，计算结果同已有的实验结果相符合。在此基础上，提出了基于表面结构单元模型的[001]晶带和[-110]晶带表面能的经验计算公式。公式计算结果和采用分子动力学模拟结果一致。利用此式，可以通过两个低密勒指数表面的表面能精确值，较准确地估计对应晶带上任意一个高密勒指数表面的表面能。最后，我们探讨了一系列高指数表面的表面能随温度的变化关系。 2．半导体材料GaAs高密勒指数表面电子特性的理论研究 采用散射理论方法计算了Ⅲ-Ⅴ族半导体GaAs的一些高密勒指数表面的电子结构特性，结果如下：(1)Ⅲ-Ⅴ族半导体(112)在基本带隙内普遍都有四条表面态，分别对应于叁个悬挂键态和一个桥键态；理想的Ⅲ-Ⅴ族半导体(112)表面原子满足阴离子的悬挂键全部填满，阳离子的悬挂键全空；(2)对GaAs(113)表面的研究表明：理想截断的GaAs(113)A表面电子结构特征主要表现为在基本带隙内有叁条主要的表面态存在；对IBA制备的稳定的(1×1)计算结果表明：相对于理想的Ga原子位置截断，桥位模型的电子结构特征只是在相应能级位置上发生了移动，没有任何新的表面态产生，和已有的实验结果比较差别较大，而空位模型的计算结果较好的符合了已有的实验结果，我们认为，空位模型是符合实际的。同时在此基础上，我们预言了表面可能存在有一定占据的阳离子悬键态存在，这一点解释了实验中测量到在价带以上有弱的表面峰现象。(3)对GaAs(114)表面的计算表面表明:不论是A类或者是B类表面，理想情况下表面7条主要的表面态存在。理想截断的表面表现为金属特性。表面重构后，形成叁个dimer键，表面所有的阴离子悬挂键填满，阳离子全空;面能隙为0.7eV左右;表现为半导体特征。但在基本带隙中，仍有表面态存在，再构不能完全赶走带隙中的表面态.(4)对理想的GaAs(2 5 11)表面，在基本带隙内的表面态主要处在叁个能量范围内，能区基本处在一0.lev一o.oeV，o.geV一1.oev和1.4ev一1.6ev的区间内。这些态对应于表面悬挂键态和背向键态。再构后，不考虑表面原子的驰豫变化，GaAs(2 5 11)表面表面态的变化主要表现在O.geV~1.oeV的一些表面态完全消失。根据电子数目规则，我们断定处在一O.leV~0.leV的表面态为全部填满的阴离子悬挂键态或者为原子再构后引起的As一As dimer键态，而处在1.4eV一1.6eV的表面态为阳离子空的悬挂键态。 在此基础上，我们对计算结果和目前己有的低密勒指数表面电子特性的计算结果作了比较研究，同时对表面的稳定机制作了尝试性的探讨。3.其他工作 除此之外，论文还对铅盐PbTe、 Pbse、PbS(001)表面电子结构，YBCO超导体表面氧特性、金属Ti和Ni在金刚石表面的吸附和扩散等特性进行了研究。得到了一些有意义的结果，比如，对PbTe、Pbse、PbS(001)表面的几何结构和表面电子结构的研究表明，表面原子出现褶皱现象，同时PbTe(001)表面和PbS(001)表面具有不同方式的振荡驰豫。在表面电子结构特征方面，与111一v族和n一Vl族化合物不同，基本带隙中不引入表面态，而在导带顶和价带底附近以及更深能级中出现表面态或表面共振态等。
冯昊[8]2012年在《半导体纳米材料的生长仿真与物理特性研究》文中研究表明近年来,在单芯片上集成纳米功能单元的能力成为衡量半导体纳米技术发展的一个重要标志。半导体纳米结构(量子点、量子环、纳米线等)功能单元相关的生长制备技术、量子物理效应以及潜在的光电器件应用研究因此成为了凝聚态物理以及半导体纳米技术领域的研究热点。本论文依托课题组承担的国家高技术研究发展计划(批准号：2009AA03Z405)、国家自然科学基金(批准号：60644004),紧密围绕半导体纳米材料(量子点和量子环)的生长机制以及量子点在器件集成中的物理特性展开相关的理论研究。取得的主要成果如下：1建立了半导体自组织量子点在Stanski-Kastanov模式下生长的动力学蒙特卡罗仿真模型。基于动力学蒙特卡罗仿真模型研究了生长参数(温度、沉积速率、生长停顿时间等)对量子点生长质量(均匀性)的影响。2在动力学蒙特卡罗模型的基础上,建立了基于结构衬底的生长仿真模型。研究了方形和圆形单纳米洞对原子扩散行为的影响,发现原子倾向于在纳米洞侧壁上聚集；通过对比发现,由于原子台阶的分布差异,原子更倾向于向方形纳米洞中扩散。研究了不同原子之间的结合能对量子点组分分布的影响规律,原子结合能的差异会影响原子岛中不同原子的混合程度。3建立基于动力学蒙特卡罗的量子环自组织生长模型,通过设计衬底中量子点的不同埋藏条件(量子点数量、量子点半高比),实现了对自组织外延量子环的生长尺寸和位置的调控,进一步可以实现了实现双量子环以及多量子环分子的生长。4利用有限元方法(FEM)研究了应变补偿层对InAs/GaAs量子点尺寸的补偿作用以及补偿层对相邻两层量子点垂直对准概率的影响。从生长均匀性角度出发,提出了包括补偿位置和补偿浓度的优化补偿方案。在此基础上,研究了不同位置的应变补偿层对量子点电子和空穴的能级以及波函数分布影响的规律。5利用有限元方法研究了半导体纳米薄膜与衬底的相互作用,得到了薄膜厚度与衬底可比时衬底的弯曲曲率与薄膜衬底厚度比之间的关系。为了考虑原子细节,建立了基于原子势函数方法的仿真模型,并结合能量最小化原理对量子点和超薄衬底系统进行了几何优化。通过对不同尺寸的金子塔、半球形量子点系统的几何优化,得出超薄衬底的非线性弯曲与量子点形状和尺寸的关系。6基于有效质量近似理论和有限元方法建立了机械外力与量子点系统相互作用的模型。研究了不同方向和大小的机械外力对InAs/GaAs半导体量子点中应变、带边的影响,以及最终对电子和空穴能级的影响的规律,为实验上实现外力调控量子点发光波长提供了理论依据。
赵瑞[9]2016年在《掺杂和高压对CdS基量子点电子结构的影响研究》文中研究说明具有磁学性质的荧光量子点纳米结构广泛应用在多功能生物成像、生物医学、光催化、太阳能电池、光电探测和磁光领域。晶粒尺寸、掺杂和高压能够引起晶体结构和电子结构的变化,导致材料物理和化学性质的改变。晶粒尺寸的减小,引起能级分立和量子限域效应；掺杂能改变主体材料中载流子的类型,形成的杂质能级可引起电子结构的变化；高压诱导主体材料发生相变,而晶体结构改变引起相邻原子间电子轨道交迭程度的变化,进而发生电子结构的变化。CdS由于具有良好的光电性能成为人们关注的宽禁带半导体之一。论文通过制备掺杂过渡金属离子Mn、Co和稀土离子Eu的CdS基量子点,研究掺杂对其光学和磁学性质的影响,高压对其结构稳定性和光学特性的影响,进而理解掺杂和高压对其电子结构的改变,为CdS基纳米材料的性能优化提供理论和实验基础。本文的主要研究成果如下：1.利用气液表面反应装置,合成出了纤锌矿CdS及不同掺杂浓度的CdS:Eu量子点(8-10 nm)；利用气液化学沉积微波装置,制备出了闪锌矿CdS及不同掺杂浓度的CdS:Mn/CdS:Co量子点(3-5 nm),探讨了纤锌矿CdS和闪锌矿CdS不同的生长机理。在富S和富Cd的不同生长条件下,由于反应液的释放速度不同,导致晶种形成的数量不同,并通过控制晶种的生长速度,形成不同的晶体结构。2.纤锌矿CdS:Eu量子点表现室温铁磁性(Ms=0.0322 emu/g),ZFC-FC实验表明为单一铁磁相,饱和磁化强度随掺杂浓度的增大,呈现先上升后下降的趋势;第一性原理计算表明,在富S的制备条件下,Cd空位复合Eu替位的掺杂体系形成能最小,电子态密度呈现半金属铁磁性,为P型半导体,磁性的主要来源是S3p电子与Eu 4f电子之间的交互作用。PL光谱研究表明,随着掺杂浓度的增大,Eu3+离子占据了空位的位置,彼此接近的间隙中相互作用的Cd空位数量在减少,导致Cd空位的特征峰蓝移。3.闪锌矿CdS:Mn量子点表现室温铁磁性(Ms=0.057 emu/g),由于Mn-Mn对之间出现的的反铁磁作用随掺杂离子浓度的升高而增长.饱和磁化强度呈现先上升后下降的趋势；第一性原理计算表明,富Cd生长条件下,替位掺杂优先于间隙位掺杂；考虑替位为主的情况下,S空位复合Mn替位的掺杂构型形成能最低,为主要的磁性来源。紫外吸收可见光谱表明,微波加热时间延长,颗粒尺寸呈现增长的趋势,吸收光谱红移；掺杂导致主体材料带隙增长,这与第一性原理计算的结果吻合。4.对闪锌矿CdS和CdS:Co量子点(3-5 nm)的高压同步辐射研究表明,Co离子掺杂降低了CdS的相变压力(CdS=4.89 GPa,CdS：Co=4.06 GPa),提高了常压相和高压相的体弹模量,高压相变是部分可逆相变。基于第一性原理的计算表明：掺杂后,压力对Co-S键长的影响要大于Cd-S键,导致相变压力降低。CdS在相变时表现为S 3p态与Cd 5s态的共键作用减弱,5s电子在整个晶格里移动,导致电子结构在结构相变后也发生转变。而CdS:Co在相变时则主要表现为S 3p态与Co 3d态之间的杂化减弱,Co 3d态的高度局域性特征在转变为岩盐矿后消失。5.对纤锌矿CdS和CdS:Eu量子点(8-10 nm)的高压同步辐射、高压拉曼研究表明,微量掺杂的Eu离子提升了CdS的相变压力(CdS=4.76 GPa,CdS:Eu=5.22 GPa),掺杂提高了常压相和高压相的体弹模量,高压相变是部分可逆相变。纤锌矿CdS高压PL峰在转变为岩盐矿后发生猝灭,Eu3+离子的5D0→7FJ(J=-1,2)的PL光谱表明了不同压力作用下Eu3+离子局域对称性的改变,以及主体材料中由Eu3+反映出来的晶体场的改变。在7.26 GPa,一个位于655.90 nm的5D0→7F3新峰被探测到,并且随着压力的上升峰强逐渐增长。这说明CdS:Eu量子点中Eu3+离子的位置从点对称朝着非中心对称点群转变。
参考文献：
[1]. 半导体量子点分子的电子结构及其动力学性质[D]. 刘承师. 北京师范大学. 2003
[2]. 基于有效质量理论的半导体量子点电子结构的研究[D]. 宋鑫. 北京邮电大学. 2013
[3]. IV和VA族新型纳米材料的电子结构、性能调控及其与酶相互作用的理论研究[D]. 孙晓甜. 苏州大学. 2016
[4]. ZnSe/SiO_2半导体量子点玻璃的光谱特性研究[D]. 罗志徽. 中国科学院研究生院（西安光学精密机械研究所）. 2006
[5]. 半导体材料GaN,SiGe和ZrS_2基低维体系的电子结构和光学性质研究[D]. 耿振铎. 河南师范大学. 2017
[6]. 金刚石及相关材料纳米结构电子性质第一性原理研究[D]. 张振奎. 山东大学. 2010
[7]. 金属、半导体高密勒指数表面：表面能和电子结构[D]. 贾瑜. 郑州大学. 2003
[8]. 半导体纳米材料的生长仿真与物理特性研究[D]. 冯昊. 北京邮电大学. 2012
[9]. 掺杂和高压对CdS基量子点电子结构的影响研究[D]. 赵瑞. 吉林大学. 2016
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