本文關(guān)鍵詞：無機半導(dǎo)體材料的外延生長與電子態(tài)調(diào)控　出處：《吉林大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：化學(xué)是研究物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)與變化規(guī)律的自然科學(xué)。而物質(zhì)是由原子構(gòu)成的,物質(zhì)內(nèi)原子排布的微觀結(jié)構(gòu)決定其宏觀性質(zhì),所以化學(xué)也是創(chuàng)造新物質(zhì)與新材料的實驗科學(xué)。材料的晶格、軌道、電荷以及自旋特性是影響其微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素,在這些因素的共同作用下形成了每種材料所特有的電子結(jié)構(gòu),從而使材料呈現(xiàn)出豐富的物理化學(xué)性質(zhì)。所以創(chuàng)造新材料的關(guān)鍵在于調(diào)控材料的電子態(tài),而化學(xué)反應(yīng)是原子層面的斷鍵與成鍵過程,作為調(diào)控電子態(tài)的有效手段,具有極高的精準(zhǔn)性。但化學(xué)在創(chuàng)造固體材料時不單只包括化學(xué)反應(yīng),還涉及隨后反應(yīng)產(chǎn)物的“組裝”或結(jié)晶過程。外延生長正是一種操縱原子、分子等微觀粒子進(jìn)行規(guī)則排布的“組裝”方法,作為制備晶體材料的方法具有極高的可控性。所以化學(xué)反應(yīng)與外延制備的結(jié)合,將是定向合成與精準(zhǔn)調(diào)控的完美組合,在創(chuàng)造新材料與新物質(zhì)方面具有不可比擬的優(yōu)勢。無機半導(dǎo)體材料是解決當(dāng)前人類所面臨的能源與環(huán)境危機方面的明星材料,盡管在過去一段時間取得了長足的發(fā)展與進(jìn)步,但依然存在諸多亟待解決的問題。所以本課題選無機半導(dǎo)體材料為研究對象,通過探索其外延生長中的電子態(tài)調(diào)控規(guī)律,旨在為創(chuàng)造新材料與新物質(zhì)提供新的研究思路與實驗方法。本課題的研究首先從認(rèn)識無機半導(dǎo)體的外延生長技術(shù)開始,隨后借助外延的實驗方法嘗試并制備了基于簡單半導(dǎo)體的新物質(zhì),最后將化學(xué)調(diào)控與外延生長的結(jié)合擴(kuò)展到了復(fù)雜氧化物半導(dǎo)體體系,并取得了以下結(jié)果:1.通過襯底的表面化學(xué)修飾解決了外延生長中的失配問題。利用分子束外延設(shè)備在Si(111)襯底上生長GaSb時,借助反射式高能電子衍射儀進(jìn)行了生長過程的原位監(jiān)控,我們發(fā)現(xiàn)通過調(diào)整硅襯底表面原子的排列方式能改變GaSb薄膜的生長方式。在原始的Si(111)-(7?7)表面上GaSb薄膜以島狀方式完成外延過程,這主要是因為si與gasb的晶格失配高達(dá)12%,在外延界面處形成失配位錯能有效釋放晶格失配應(yīng)力,通過tem確認(rèn)了界面處確實存在著周期性的失配位錯,所以該樣品無論是結(jié)晶度還是表面平整度都有待提高。而在經(jīng)過化學(xué)修飾的si(111)-(√3?√3)-sb和si(111)-(5√3?5√3)-sb表面上,gasb薄膜能以一種傾斜生長的方式在界面處形成重合位置點陣,釋放晶格失配應(yīng)力,徹底消除了界面處的刃位錯,有效提升了薄膜的晶體質(zhì)量和表面形貌。但由于后者的外延界面處具有更高密度的面內(nèi)匹配格點,所以后者的晶體質(zhì)量相對更優(yōu)一些。這部分工作從合成化學(xué)的角度出發(fā),解決了外延生長中的晶格失配問題,對大晶格失配材料的外延生長具有一定的借鑒意義。2.研究了ga-gasb金屬半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的液滴外延制備方法,并調(diào)控了它的光學(xué)吸收性能。利用分子束外延設(shè)備對低熔點金屬ga的液滴進(jìn)行了定量化的銻化處理,精準(zhǔn)合成了具有特定尺寸和組分的ga-gasb金屬半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)。通過對組分、形貌、相圖的分析,提出了從金屬單質(zhì)到異質(zhì)結(jié)產(chǎn)物的液滴外延生長機制。在測試樣品的固體吸收光譜時發(fā)現(xiàn),當(dāng)異質(zhì)結(jié)的整體尺寸越小、半導(dǎo)體部分比例越低時,其帶間光學(xué)吸收性能越好。這主要是因為在金屬和半導(dǎo)體的界面處形成了肖特基勢壘,能夠有效地將激發(fā)到導(dǎo)帶上的電子轉(zhuǎn)移到金屬的費米能級上,從而減小了體系的激子密度,降低了載流子復(fù)合的幾率,可以讓更多的載流子被激發(fā)。并結(jié)合價帶譜數(shù)據(jù)確認(rèn)了組分間確實存在著電荷轉(zhuǎn)移。這部分工作使外延生長的精準(zhǔn)性在合成化學(xué)中得到了發(fā)揮,不僅創(chuàng)新了金屬半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的制備方法,還為創(chuàng)造新物質(zhì)、發(fā)現(xiàn)新物態(tài)提供了新的思路。3.利用氧空位提升了lafeo3薄膜對析氧反應(yīng)(oer)的催化活性。利用脈沖激光沉積技術(shù)外延生長了lafeo3的單晶薄膜,并原位地在真空環(huán)境中進(jìn)行了退火處理,向薄膜表面引入了大量的氧空位,使其表面附近fe的平均價態(tài)有所降低。氧空位產(chǎn)生了電子摻雜效應(yīng),導(dǎo)致其價帶頂向費米能級偏移,增強了薄膜的導(dǎo)電性;fe價態(tài)的降低還使fe-o鍵變長,引起了晶格膨脹,致使其光學(xué)帶隙變窄,擴(kuò)展了其光譜響應(yīng)范圍,從而提升了其對oer的催化電流。同時,由于氧空位只存在于表面附近,薄膜體-表的價帶能極差導(dǎo)致了體-表異質(zhì)結(jié)的形成,可以加速oer的動力學(xué),降低催化反應(yīng)的過電位。這部分工作實現(xiàn)了外延生長與化學(xué)調(diào)控的有機結(jié)合,說明這種實驗方法可以用于創(chuàng)造較為復(fù)雜的新物質(zhì)。本文通過研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系,深入探索了調(diào)控材料性能的實驗方法,在此過程中豐富了合成與制備各自的科學(xué)內(nèi)涵,并創(chuàng)意地將化學(xué)合成的功能導(dǎo)向性與外延制備的精準(zhǔn)可控性有機地結(jié)合在了一起,這為固體化學(xué)的發(fā)展提供了新的研究視角,為創(chuàng)造新物質(zhì)與發(fā)現(xiàn)新物態(tài)提供了新的實驗方法。
[Abstract]:In order to provide new materials and new materials , the chemical reaction is the key to the formation of new materials and new materials . In this paper , the catalytic activity of Lafeo3 thin film on oxygen evolution has been improved by using pulsed laser deposition technique .

【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN304

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1 鈴木和明;藤森敬三;徐信慧;;最近的外延生長技術(shù)[J];上海有色金屬;1973年01期

2 湯廣平,劉明登,全寶富,趙慕愚;SiCl_4-SiH_4-H_2混合源的硅外延生長[J];半導(dǎo)體學(xué)報;1986年06期

3 高橋健二;潼l⒚，

本文編號：1398690