發(fā)布時(shí)間：2020-04-29 00:49

【摘要】：低維納米材料的出現(xiàn)極大地推動(dòng)了納米電子設(shè)備(如場(chǎng)效應(yīng)晶體管和納米自旋電子器件)的發(fā)展。組裝高性能的新型納米場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)要求所采用的二維納米材料同時(shí)具有較高的載流子遷移率、合適的帶隙值和良好的熱穩(wěn)定性(大氣氛圍下)。而組裝新型納米自旋電子器件則要求所采用的一維納米材料具有可調(diào)控的電磁性能。原始的(1L-BN、1L-AlN和1L-GaN)和飽和功能化的二維單層ⅢA族氮化物具有有限的本征帶隙值和良好的熱穩(wěn)定性,而其是否具有可用的載流子遷移率水平還不得而知。因此,本文采用第一性原理計(jì)算的手段,系統(tǒng)的研究了飽和功能化前后1L-BN、1L-AlN和1L-GaN的載流子遷移率。此外,本文也研究了飽和氫化及單碳鏈摻雜對(duì)鋸齒型ⅢA族氮化物納米帶(ZBNNR、ZAlNNR和ZGaNN)的電磁性能的影響。二維單層ⅢA族氮化物(1L-BN、1L-AlN和1L-GaN)具有空穴占主導(dǎo)地位的較高的載流子遷移率,且其空穴遷移率(1207-5277 cm~2V~(-1)s~(-1))要明顯高于目前商業(yè)化的硅基半導(dǎo)體設(shè)備(約500 cm~2V~(-1)s~(-1))。其中,1L-AlN的空穴遷移率最高(5277 cm~2V~(-1)s~(-1)),1L-GaN的空穴遷移率最低(1207 cm~2V~(-1)s~(-1)),1L-BN的空穴遷移率則介于1L-AlN和1L-GaN之間,為2026-2055 cm~2V~(-1)s~(-1)。同時(shí),1L-AlN和1L-GaN的電子遷移率(425-457cm~2V~(-1)s~(-1))要高于1L-BN的電子遷移率(166 cm~2V~(-1)s~(-1)),并可達(dá)到目前商業(yè)化的硅基半導(dǎo)體設(shè)備的水平。此外,二維單層ⅢA族氮化物(1L-BN、1L-AlN和1L-GaN)的電子遷移率都表現(xiàn)出了較好的各向同性特征,而其空穴遷移率(尤其是1L-AlN)則表現(xiàn)出了一定程度的各向異性的特征。飽和功能化可以反轉(zhuǎn)二維單層ⅢA族氮化物(1L-BN、1L-AlN和1L-GaN)的載流子遷移率的極性。飽和功能化可以顯著抑制二維單層ⅢA族氮化物(1L-BN、1L-AlN和1L-GaN)的空穴遷移率,甚至使得飽和氫氟化的1L-BN(FBNH)和飽和氫化的1L-GaN(HGaNH)的載流子遷移率降低到接近零的程度(小于7 cm~2V~(-1)s~(-1))。相反,飽和功能化可以一定程度上增大(或保持)相應(yīng)體系的電子遷移率�？昭ㄟw移率的降低和電子遷移率的增大(或保持)最終會(huì)導(dǎo)致飽和功能化前后二維單層ⅢA族氮化物的載流子遷移率極性發(fā)生反轉(zhuǎn),即,由空穴占主導(dǎo)地位的載流子遷移率轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮诱贾鲗?dǎo)地位的載流子遷移率。另外,飽和功能化可以調(diào)控二維單層ⅢA族氮化物的載流子遷移率的各向異(同)性特征。具體說來,飽和氫化后的1L-BN(HBNH)和飽和氫(氟)化后的1L-GaN(HGaNH和FGaNH)的電子和空穴的遷移率都表現(xiàn)出一定程度的各向異性特征,而飽和氫化后的1L-AlN(HAlNH)的載流子遷移率則都是各向同性的。鋸齒型ⅢA族氮化物納米帶(ZBNNR、ZAlNNR和ZGaNNR)為間接帶隙半導(dǎo)體,其導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂處的電荷密度分布會(huì)隨著寬度的變化而發(fā)生輕微的改變,進(jìn)而導(dǎo)致鋸齒型ⅢA族氮化物納米帶的帶隙值隨著納米帶寬度的增大而逐漸輕微減小。另外,鋸齒型ⅢA族氮化物納米帶中存在平帶態(tài)(flat band states),該平帶態(tài)起源于與H原子成鍵的N原子的π(p_z)軌道。飽和氫化可使得鋸齒型ⅢA族氮化物納米帶(ZBNNR、ZAlNNR和ZGaNNR)發(fā)生結(jié)構(gòu)褶皺,且可使其由半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)榇判越饘?其磁性主要起源于位于納米帶左邊界附近的原子(H原子或N原子),且其磁性隨著納米帶的寬度的增大而單調(diào)遞增。此外,單碳鏈摻雜可以有效調(diào)控ZBNNR和ZAlNNR的帶隙性質(zhì)(間接帶隙或直接帶隙)和帶隙值大小。具體說來,左邊界處單碳鏈摻雜的ZBNNR和ZAlNNR,因其導(dǎo)帶底的π鍵態(tài),具有最小的直接帶隙值(約為0.7 eV和0.3 eV)。更為重要的是,單碳鏈摻雜可以抑制ZAlNNR中的平帶態(tài)(flat band states)及調(diào)節(jié)相應(yīng)摻雜體系中border states(起源于π鍵和π*鍵)所處的位置,從而調(diào)控單碳鏈摻雜的ZAlNNR中電子輸運(yùn)通道所處的位置。
【圖文】：

西北工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文墨烯載流子遷移率的研究現(xiàn)狀墨烯（graphene）是由單層 C 原子構(gòu)成的，具有蜂窩狀結(jié)構(gòu)的平面六角形[13,14]（如圖 1-1（a）所示）。在石墨烯中，碳原子所具有的電子中，兩個(gè)上，外層四個(gè)分別填充在 2s 和 2p 軌道上，且其中三個(gè)外層電子占據(jù)平面道，形成三個(gè)位于同一平面且夾角為 120 度的 鍵（鍵長(zhǎng)為 1.42 ），而于 pz軌道的孤對(duì)電子則形成大 π 鍵。

第 1 章 緒論以發(fā)生褶皺、彎曲，并以此來抵抗外力的作用。另外，石墨烯中未成鍵的 π 電子（垂直于 C 原子平面的 pz軌道）可形成成鍵態(tài)和反鍵態(tài)，且該成鍵態(tài)和反鍵態(tài)相交于費(fèi)米能級(jí)處的 K 點(diǎn)，進(jìn)而形成奇特的 Dirac 錐（如圖 1-1（b）所示）。在 Dirac 錐的頂點(diǎn)處，電子能量和電子波矢呈線性關(guān)系，電子的有效質(zhì)量為零，其速度可高達(dá) 106 m/s[15]。正是由于石墨烯具有獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，其才能具有超高的常溫載流子遷移率（105cm2V-1s-1）[16,17]，，甚至在溫度低于 50 K 時(shí)達(dá)到了 107cm2V-1s-1[18]。
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB383.1;TQ133

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本文編號(hào)：2644051