【摘要】：半導(dǎo)體材料的電子結(jié)構(gòu)及電荷輸運(yùn)性質(zhì)對于設(shè)計(jì)與篩選性能優(yōu)異的半導(dǎo)體器件至關(guān)重要。經(jīng)過數(shù)十年迅速發(fā)展,半導(dǎo)體材料基本物理性質(zhì)的研究已經(jīng)成為世界上最活躍的科學(xué)研究領(lǐng)域之一。本論文從理論上研究了若干半導(dǎo)體材料的電子結(jié)構(gòu)與電荷輸運(yùn)性質(zhì),研究對象由一維DNA/RNA生物有機(jī)半導(dǎo)體、二維層狀BNCx無機(jī)半導(dǎo)體延伸至三維有機(jī)無機(jī)雜化半導(dǎo)體。主要內(nèi)容如下:第一章簡單介紹了半導(dǎo)體領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景,著重討論了近年來發(fā)展迅速的分子導(dǎo)線材料、二維層狀材料以及新型有機(jī)無機(jī)鈣鈦礦材料的研究進(jìn)展及其存在的問題。第二章闡述了量子力學(xué)理論基礎(chǔ)以及半導(dǎo)體納米材料中電荷輸運(yùn)的機(jī)理。討論了兩種電荷輸運(yùn)模型:跳躍傳輸和能帶輸運(yùn)模型。其中跳躍傳輸模型主要用于描述有機(jī)半導(dǎo)體中的電荷輸運(yùn),其電聲耦合接近甚至大于電子耦合,電荷的輸運(yùn)行為表現(xiàn)為分子間跳躍。能帶輸運(yùn)模型,主要用于描述無機(jī)半導(dǎo)體中的電荷輸運(yùn),其電子耦合遠(yuǎn)大于電聲耦合,電荷的輸運(yùn)行為表現(xiàn)為能帶傳輸。第三章結(jié)合電子跳躍模型和馬庫斯理論,研究了12種DNA/RNA的電子/空穴傳輸速率和載流子遷移率。計(jì)算數(shù)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)值十分吻合,表明:此模型非常適合描述DNA/RNA中的電荷輸運(yùn)。此外,通過對比12種DNA/RNA結(jié)構(gòu)的電荷輸運(yùn)參數(shù)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)后發(fā)現(xiàn):具有合適π-π堆積的堿基對可以顯著提高DNA/RNA的電荷輸運(yùn)特性,其中2L8I結(jié)構(gòu)的空穴遷移率高達(dá)1.09×10-1 cm2V-1 s-1,與盤狀液晶處于同一量級,是一種潛在的分子線電子器件材料。第四章結(jié)合形變勢理論和玻爾茲曼輸運(yùn)方法,研究了二維層狀半導(dǎo)體材料BNCx的電荷輸運(yùn)性質(zhì)。電子結(jié)構(gòu)計(jì)算表明:所有BNCx結(jié)構(gòu)都有非零帶隙,且BNCCx的帶隙與碳原子的比率和排布方式有關(guān)。電荷輸運(yùn)性質(zhì)計(jì)算表明:其中一種BNC2結(jié)構(gòu)(BNC2-1)的載流子遷移率高達(dá)105 cm2 V-1s-1,其特定方向上的電子或空穴傳輸已經(jīng)可以媲美甚至超過石墨烯。BNC和BNC4的電子和空穴傳輸具有明顯的各向異性。特別是BNC4,其y方向上的空穴遷移率和x方向的電子遷移率都接近106cm2V-1 s-1,遠(yuǎn)高于石墨烯。第五章使用GLLB-SC模型勢泛函計(jì)算了3種不同相、27種不同二價(jià)金屬鈣鈦礦結(jié)構(gòu)MABI3的帶隙。結(jié)果表明:只有五種鈣鈦礦結(jié)構(gòu)(MABI3:B=Pb,Sn,Ge,Cd,Be)具有可見光吸收帶隙,其中已有三種結(jié)構(gòu)得到了實(shí)驗(yàn)證實(shí)。此外,我們研究了一種新的基于Ag和Sb的雙鈣鈦礦MA2AgSbI6的電子結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明:MA2AgSbI6的帶隙為2.0eV,電子有效質(zhì)量與MAPbI3接近,顯示了良好的電子輸運(yùn)特性。分波電荷密度還顯示:MA2AgSbI6的電子和空穴在晶胞內(nèi)可以有效分離。最后,用實(shí)驗(yàn)證明了理論預(yù)測的正確性,預(yù)示著MA2AgSbI6是一種潛在的鈣鈦礦太陽能電池材料。第六章針對黃鐵礦型三元化合物磷硫化鈷(CoPS)電解水制氫的性能與晶面相關(guān)的實(shí)驗(yàn)事實(shí),研究了CoPS的電子結(jié)構(gòu),并構(gòu)建了不同的CoPS晶面來研究H原子在晶面的吸附與脫附過程。結(jié)果顯示:不同晶面上的析氫反應(yīng)行為是由H原子在表面的吸附及表面H-H復(fù)合的過程共同決定的。結(jié)合馬庫斯理論,我們對CoPS不同晶面的電化學(xué)過程進(jìn)行了詳盡的描述,并提出了研究不同晶面電化學(xué)活性的新方法以及析氫反應(yīng)過程的新認(rèn)識(shí),為設(shè)計(jì)新型非貴金屬析氫電催化劑提供了新的思路。
【圖文】：

雜可以極大改善半導(dǎo)體的電阻率，當(dāng)半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)時(shí)，雜質(zhì)原子格的周期性勢場，從而形成附加的束縛態(tài)，在禁帶中形成雜質(zhì)能級。摻雜兩種：受主摻雜與施主摻雜。半導(dǎo)體進(jìn)行受主摻雜時(shí)，價(jià)帶中由于缺少電載流子，半導(dǎo)體中導(dǎo)電的載流子主要為價(jià)帶中的空穴，屬于空穴型導(dǎo)電，體，其費(fèi)米能級更靠近價(jià)帶，，如圖ｌ．ｉ所示。而半導(dǎo)體進(jìn)行施主摻雜時(shí)，余電子形成電子載流子，半導(dǎo)體中導(dǎo)電載流子主要為導(dǎo)帶中的電子，屬于稱為Ｎ型半導(dǎo)體，其費(fèi)米能級更靠近于導(dǎo)帶，同樣如圖１．１所示。逡逑發(fā)展逡逑的發(fā)現(xiàn)實(shí)際上最早可以追溯到１９世紀(jì)，１８３３年，英國的Ｆａｒａｄａｙ發(fā)現(xiàn)硫著溫度的變化情況不同于一般金屬。一般情況下，金屬的電阻會(huì)隨溫度升是硫化銀材料的電阻是隨著溫度的上升而降低的，其實(shí)這就是半導(dǎo)體現(xiàn)象有記載的半導(dǎo)體效應(yīng)ｍ。在這之后不久，１８３９年法國的Ｂｅｃｑｕｅｒｅｌ發(fā)現(xiàn)半接觸形成異質(zhì)結(jié)，在光照下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓，這就是后來人們熟知的光生

１．２．２二維層狀結(jié)構(gòu)逡逑２００４年，Ａｎｄｒｅ邋Ｇｉｅｍ等人報(bào)道了一個(gè)驚人的消息，他們在實(shí)驗(yàn)室通過機(jī)械剝離的逡逑方法從石墨中得到了石墨烯［１３］。作為碳納米管和富勒烯材料的母體，如圖１．３所示，石逡逑墨烯的發(fā)現(xiàn)一經(jīng)報(bào)道就立即引起了整個(gè)科研界的關(guān)注。一系列的研究表明，石墨烯是一逡逑種由碳原子以ｓｐ２雜化方式形成的蜂窩狀平面薄膜，具有一系列非常優(yōu)異的性質(zhì)。例如逡逑其室溫下的載流子遷移率高達(dá)１００００邋ｃｍ２邋Ｖ１邋ｓ＇這一數(shù)值超過了硅材料的１0倍，更是逡逑娣化銦（ＩｎＳｂ）的兩倍以上［１３］。此外，石墨烯還具有量子霍爾效應(yīng)［１４］，非常大的理論表面逡逑積（２６３０0＾１１５］，優(yōu)異的光學(xué)透明性（？９７．７％）［１６］，非常高的楊氏模量（？ｌＴＰａ）［１７］，以及逡逑４逡逑
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB303

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2 鄭有p

本文編號：2639977