【摘要】：砷化鎵(GaAs)材料具有較高的電子遷移率和光電轉(zhuǎn)換效率,在光電子器件以及微電子器件等領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。納米材料是當(dāng)今材料領(lǐng)域的前沿,GaAs納米顆粒是極具研究?jī)r(jià)值的納米半導(dǎo)體材料之一。微觀結(jié)構(gòu)決定宏觀性質(zhì),因此對(duì)GaAs納米顆粒微觀結(jié)構(gòu)的研究尤為關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)上難以捕捉材料微觀結(jié)構(gòu)演變過程,只能通過理論模擬的方法對(duì)微觀結(jié)構(gòu)演變過程進(jìn)行追蹤。理論研究可以使人們對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)有更深刻的理解,對(duì)GaAs納米顆粒的生產(chǎn)、應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。本文通過分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了1×10~(11) K/s熔速下理想閃鋅礦結(jié)構(gòu)GaAs納米顆粒的快速升溫的動(dòng)態(tài)過程。同時(shí),模擬了1×10~(13) K/s熔速下無序結(jié)構(gòu)GaAs納米顆粒的快速升溫、馳豫過程,以及在不同冷卻速率下的液態(tài)GaAs納米顆粒的凝固過程。采用徑向分布函數(shù)、平均原子勢(shì)能、配位數(shù)、鍵角分布和二面角分布及可視化等方法對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演變過程進(jìn)行了詳細(xì)分析。結(jié)果表明:1、當(dāng)溫度大于520 K時(shí),由于As的飽和蒸汽壓遠(yuǎn)大于Ga,可以更容易地以As蒸汽形式脫離體系,而Ga元素在高溫下表現(xiàn)出穩(wěn)定的特性。這種特殊的性質(zhì)將高溫下GaAs納米顆粒體系下的Ga和As分離。由于表面效應(yīng),與GaAs晶體相比,GaAs納米顆粒從外界獲取更少的能量即可實(shí)現(xiàn)固液相變。2、理想閃鋅礦結(jié)構(gòu)GaAs納米顆粒的熔點(diǎn)為1100 K。由于顆粒不同位置上的原子勢(shì)能不同,導(dǎo)致各區(qū)域其熔化所需外界提供的能量大小有所差異,GaAs納米顆粒呈現(xiàn)出階段性、區(qū)域性的熔化現(xiàn)象。熔化過程中,GaAs納米顆粒部分閃鋅礦結(jié)構(gòu)的極化扭曲導(dǎo)致體系中纖鋅礦結(jié)構(gòu)的形成,同時(shí)表面輪廓迅速向球形趨近。3、液態(tài)GaAs納米顆粒的液-固相變溫度Tc為970 K,較GaAs晶體1460 K低。當(dāng)體系所在溫度高于Tc時(shí),GaAs納米顆粒將處于液態(tài)的無規(guī)球狀結(jié)構(gòu),即納米液滴;當(dāng)體系所在溫度低于Tc時(shí),Ga和As原子之間的成鍵結(jié)構(gòu)迅速變得穩(wěn)定,形成GaAs納米顆粒,其最外層表面為有缺陷的六環(huán)蜂窩狀結(jié)構(gòu)、次外層表面為有缺陷的二維密堆積結(jié)構(gòu),缺陷由CN=4、5、6的Ga、As及其近鄰原子填充最終獲得更高的結(jié)構(gòu)致密度。4、當(dāng)冷速R≥2×10~100 K/s時(shí),液態(tài)GaAs納米顆粒結(jié)晶現(xiàn)象不明顯;當(dāng)R2×10~100 K/s時(shí),在(970,920)K溫度區(qū)間,液態(tài)GaAs納米顆粒出現(xiàn)明顯的結(jié)晶行為。200 K時(shí),各冷速下GaAs納米顆粒體系3、4配位原子主要分布在顆粒表面,形成類似于足球烯的六環(huán)蜂窩結(jié)構(gòu),進(jìn)一步分析得到這種六環(huán)結(jié)構(gòu)為有缺陷閃鋅礦結(jié)構(gòu)的(1 1 1)面。冷速越高,結(jié)晶后體系的有序度越高,GaAs納米顆粒3、4配位原子數(shù)目越多,表面六環(huán)數(shù)目越多,As以3配位存在的原子數(shù)目越少,GaAs納米顆粒越是趨近于球形。
【圖文】：

1.2 GaAs 的晶體結(jié)構(gòu)圖 1.1 GaAs 的晶胞示意圖圖 1.1 為 GaAs 晶胞的結(jié)構(gòu)示意圖。GaAs 作為閃鋅礦型晶格結(jié)構(gòu)[1]的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體，其晶格常數(shù)為 5.65 。As 原子和 Ga 原子通過共價(jià)結(jié)合的方式構(gòu)成四面體結(jié)構(gòu)，其中 Ga 原子最外層電子軌道呈 s2p1組態(tài)，，而 As 原子最外層電子軌道呈 s2p3組態(tài)。As 電負(fù)度為 2.0，Ga 電負(fù)度為 1.6，這使得 As-Ga 以極性共價(jià)的方式結(jié)合。1.3 GaAs 的基本性質(zhì)1.3.1 GaAs 的電學(xué)性質(zhì)GaAs 是一種特性優(yōu)良的Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體，表 1.1 給出了常溫下 GaAs 和其它半導(dǎo)體材料物理性能的比較。參數(shù)值與諸多外界因素有關(guān)，如雜質(zhì)類型和摻雜濃度、制備工藝以及測(cè)量方法等。表1.1 GaAs與其它半導(dǎo)體材料物理性能的比較[5]GaAs GaN Si 3C-SiC Ge擊穿電場(chǎng)(MV/cm) 0.4 5 0.3 2.12 ~本征載流子濃度(cm-3) 2.25×106~ 1.02×10101.5×10-12.4×1013帶隙(eV) 1.43 3.39 1.12 2.4 0.67擊穿電場(chǎng)(MV/cm) 0.4 5 0.3 2.12 ~電子遷移率(cm2/s·V) 8500 900 1350 800 3900空穴遷移率(cm2/s·V) 400 10 480 40 1900電子飽和漂移速率(cm/s) 2.1×1072.7×1071×1072.5×107~熔點(diǎn)(K) 1511 1700 1687 3100 1211介電常數(shù) 12.85 9 11.8 9.72 16.3莫氏硬度 5.0～5.5 9 6.5 9 6材料禁帶寬度的大小決定了其發(fā)射光的波長(zhǎng)值

徑向分布函數(shù)示意圖
【學(xué)位授予單位】：貴州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN304;TB383.1

【參考文獻(xiàn)】

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8 陳啟q

本文編號(hào)：2660297