【摘要】：隨著微/納電子技術(shù)的發(fā)展,半導(dǎo)體集成電路的集成度越來越高,單塊芯片的功能越來越強(qiáng)大,封裝體積也越來越小,這對芯片的性能和可靠性提出了更高的要求。當(dāng)大規(guī)模集成電路元器件的特征尺寸小于0.1 μm時,這些器件的功能和性能強(qiáng)烈依賴于內(nèi)電場的重構(gòu),很多因素都與器件中介質(zhì)層的介電性能有關(guān),如:器件的伏安特性、激子結(jié)合能、載流子能量和光學(xué)性能等。同時,元器件的高密度使得導(dǎo)線之間的間距大大變小,這樣不但增大了電路的電阻,使得能耗增加,而且產(chǎn)生了分布電容,造成信號延遲以及線間串?dāng)_等弊端,而這些影響同樣取決于基片的介電性能。因此,在納米尺度范圍內(nèi)對材料的電子學(xué)性質(zhì)和介電性能進(jìn)行深層次研究對于促進(jìn)微/納電子技術(shù)的發(fā)展具有非常重要的意義。半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的帶隙隨著尺寸的減少而展寬,其介電常數(shù)隨著尺寸的減少而減少,這些奇異的物理現(xiàn)象已有相應(yīng)的理論解釋,如:量子限域效應(yīng)和表面效應(yīng)等。但是,對于一些具有特殊形貌特征或者幾何結(jié)構(gòu)參數(shù),如納米錐、納米多孔結(jié)構(gòu)、核殼納米線等系統(tǒng),由于其形貌以及幾何參數(shù)的改變,將導(dǎo)致納米體系處于自平衡態(tài),而這種自平衡態(tài)將影響體系的狀態(tài),如引起帶隙漂移和介電性能的變化等等。與常規(guī)納米結(jié)構(gòu)如納米晶和納米線不同,這些結(jié)構(gòu)由于其自身獨(dú)具的幾何特征,使其具備特有的物理性能。而目前在理論上還不能對這些物理現(xiàn)象在本質(zhì)上進(jìn)行透徹的理解。因此,迫切需要建立既能克服目前理論模型的缺陷又能從本質(zhì)上分析這些新奇物理現(xiàn)象并預(yù)測其變化趨勢的理論模型。本論文基于鍵馳豫理論,從原子層次研究了低維半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的尺寸、形貌與幾何參數(shù)對體系電子學(xué)性質(zhì)以及介電性能的影響。建立了針對具有正曲率結(jié)構(gòu)特征的錐形納米線和具有負(fù)曲率納米結(jié)構(gòu)特征的納米多孔結(jié)構(gòu)的表面與界面普適性的理論模型,給出了其表/界面以及彈性作用能的解析表達(dá)式,并由此推導(dǎo)出納米結(jié)構(gòu)中與表/界面相關(guān)的尺寸、形貌和幾何參數(shù)效應(yīng)。本論文所提出的納米結(jié)構(gòu)表/界面理論模型不僅增進(jìn)了人們對于納米尺度下的材料的尺度、形貌和幾何參數(shù)效應(yīng)的科學(xué)理解,而且預(yù)言了納米材料與納米結(jié)構(gòu)尺度、形貌和幾何參數(shù)效應(yīng)所誘導(dǎo)的介電性能的變化,對于發(fā)展新型微/納電子器件具有重要的指導(dǎo)意義。其具體工作和主要結(jié)果如下:1.研究了表面原子鍵馳豫對半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)能帶結(jié)構(gòu)的影響。理論研究表明:隨著尺寸減少,比表面積增加,表面原子配位數(shù)失配增大,由此導(dǎo)致表面原子鍵弛豫,這種表面原子失配所導(dǎo)致的原子鍵弛豫使得體系處于自平衡狀態(tài),體系能量最低,從而使得整個體系具有不同于塊體的物理性質(zhì)。此外,通過Kramers-Kronig關(guān)系,研究了半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)對其介電性能的影響,從能帶的角度闡述了納米材料的介電調(diào)控原理。2.探討了錐形ZnO納米線和圓柱形ZnO納米線的帶隙漂移和介電抑制的物理機(jī)制。發(fā)現(xiàn)錐形和圓柱形納米線的自平衡應(yīng)變都將改變體系的能帶結(jié)構(gòu),并進(jìn)一步影響其介電性能。與其他理論模型不同的是,本論文模型結(jié)果表明:與圓柱形納米線相比,錐形納米線的電子學(xué)性質(zhì)以及介電性能具有其特有的性質(zhì),這種特性不但具有尺寸效應(yīng),同時還具有表面形變所引起的表面梯度效應(yīng)。對于錐形納米線,當(dāng)尺寸比較小,接近波爾半徑的時候,尺寸效應(yīng)決定其介電性能,而當(dāng)尺寸比較大,遠(yuǎn)大于波爾半徑時,其介電性能由表面梯度效應(yīng)起決定作用。我們的理論預(yù)測與相關(guān)實(shí)驗測量結(jié)果以及其他計算結(jié)果相吻合,這為半導(dǎo)體材料的尺寸與形狀設(shè)計提供了理論依據(jù)。3.提出了一個納米多孔硅幾何參數(shù)(孔徑、孔間距、孔隙度)依賴的電子學(xué)性質(zhì)以及介電調(diào)控的理論模型。計算結(jié)果表明:不但具有由表面原子配位缺陷引起的表面效應(yīng),而且孔與孔之間的彈性相互作用也將對體系的物理性能產(chǎn)生影響,這兩種效應(yīng)同時作用使得體系處于自平衡態(tài),這種自平衡態(tài)將改變材料的電子結(jié)構(gòu),引起帶隙漂移以及由此導(dǎo)致的介電調(diào)制。其介電性能不但取決于孔隙度,同時還受到孔徑、孔間距等幾何參數(shù)的影響。該模型不但能解釋表面原子配位缺陷以及孔與孔之間彈性作用引起的自平衡應(yīng)變對材料性能的影響,而且為具有可調(diào)介電性能的納米多孔結(jié)構(gòu)和納米器件的設(shè)計提供了一條有效的方法。
【學(xué)位授予單位】：湖南師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.1;TN40
【圖文】：

當(dāng)在真空平板電容間插入一塊電介質(zhì)材料，在外電場的作用下，在正極板表面感逡逑應(yīng)出負(fù)電荷，而負(fù)極板表面上則感應(yīng)出正電荷，這種電荷稱為感應(yīng)電荷，也稱束逡逑縛電荷［３０］，如圖１－１所示。逡逑Ｖ邋0０邐Ｖ￣Ｃｓｒ逡逑圖１－１平板電容器中的電荷逡逑１．２．１．２材料的極化機(jī)制逡逑電介質(zhì)在外加電場作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷，從而形成電介質(zhì)的極化。正是這種逡逑極化的結(jié)果，增加了電容器儲存電荷的能力。在外加電場作用下，電介質(zhì)宏觀上逡逑形成電極化強(qiáng)度，微觀上卻是各種極化機(jī)制共同作用的結(jié)果［３１］。宏觀物質(zhì)都逡逑是由一些復(fù)合粒子組成，這些粒子主要包括原子、離子、離子團(tuán)、分子等。由于逡逑物體內(nèi)部存在熱運(yùn)動，使得這些粒子的電荷極性處于雜亂狀態(tài)。因此，不管粒子逡逑本身是否具有電矩，熱運(yùn)動的結(jié)果都將使得粒子對宏觀電極化強(qiáng)度不做貢獻(xiàn)。當(dāng)逡逑在外加電場的作用下，這些復(fù)合粒子沿電場方向依次排列，從而貢獻(xiàn)出一個可以逡逑４逡逑

邐（１－２）逡逑ａ為微觀極化率。極化機(jī)制不同，粒子對微觀極化率《的貢獻(xiàn)也不一樣。主要逡逑包括電子位移極化、電偶極子取向極化、離子位移極化、空間電荷極化。如圖１－２逡逑所示。逡逑ｅ邐軌道邐＼邋0－逡逑＾￣￣＾位移邐＼＾離子逡逑？＾ｗｗｖ￣0邐＊逡逑原子ｘ邐原子Ｙ邐⑷逡逑一邋，逡逑茗邋邐邐—邐１邐Ｔ－＋邋｜逡逑（”邐＿＿邋Ｌｉ＋邋ｐ＿邐逡逑0－－邐——＾５邐Ｌｉ＋邋ｌｒ￣邋圯鏝逡逑＾邐ｒ0／邋￣｜｜逡逑＾——＞邋—＆邋＆ｈ逡逑茗邐邋一￣逡逑（Ｏ邐（ｆ）逡逑圖１－２材料的極化機(jī)制逡逑（１）

圖１－３極化機(jī)制與頻率的關(guān)系［３０］逡逑由于材料的介電性能取決于材料的極化方式，而不同的極化方式馳豫時間不逡逑一樣。因此，材料的介電性能同時呈現(xiàn)較強(qiáng)的頻率依賴特性，如圖１－３所示。在逡逑電場頻率較低時，電場變化緩慢，電場周期比弛豫時間要長得多，極化完全跟得逡逑上電場的變化，＜趨近靜態(tài)介電常數(shù)＆，介質(zhì)損耗＜很小�！渡�，電場周期逡逑變短，當(dāng)電場周期接近極化的弛豫時間時，極化逐漸跟不上電場的變化，損耗增逡逑大，＜從＆趨近于？＋ｑ／２，邋＜出現(xiàn)極值，并以熱的形式散發(fā)。電場高頻變化逡逑１０逡逑

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本文編號：2770227