【摘要】：現(xiàn)代社會(huì)的進(jìn)步離不開電子信息技術(shù)的發(fā)展,而電子信息技術(shù)的發(fā)展又離不開半導(dǎo)體材料的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用。半導(dǎo)體材料可以應(yīng)用于太陽(yáng)能電池、場(chǎng)效應(yīng)晶體管、發(fā)光二極管等功能器件上,是這些器件的核心部分。對(duì)于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料而言,它們的性質(zhì)已被了解得較為透徹,相關(guān)的應(yīng)用也較為成熟。近年來(lái),硫族和鹵族光電半導(dǎo)體材料例如Cu_2ZnSnSe_4和CH_3NH_3PbI_3引發(fā)了研究熱潮。科研工作者對(duì)它們的基本特性有了較為清晰的認(rèn)識(shí)。然而,對(duì)于一些結(jié)構(gòu)新穎的硫族和鹵族光電半導(dǎo)體材料例如具有低維結(jié)構(gòu)的Bi_2S_3,WSe_2和Cs_4PbBr_6的基本性質(zhì)及它們?cè)谔?yáng)能電池、場(chǎng)效應(yīng)晶體管,發(fā)光二極管上的性能表現(xiàn),尚缺乏深入的理論研究�；诖�,我們就四類新型硫族和鹵族光電半導(dǎo)體材料的特性展開了研究。本論文共有7章。第1章介紹了半導(dǎo)體的發(fā)展及硫族和鹵族光電半導(dǎo)體材料在太陽(yáng)能電池、場(chǎng)效應(yīng)晶體管及發(fā)光器件方面的應(yīng)用。第2章簡(jiǎn)要地介紹了本論文涉及的計(jì)算方法,包括密度泛函理論和缺陷計(jì)算。缺陷性質(zhì)是光電半導(dǎo)體非常重要的屬性,且本文后續(xù)章節(jié)多涉及缺陷性質(zhì)的討論,因此,在計(jì)算方法中給出詳細(xì)的解釋,方便讀者理解。第3章和第4章從第一性原理計(jì)算的角度研究了兩種具有低維結(jié)構(gòu)的新型硫族光電半導(dǎo)體Bi_2S_3和WSe_2的缺陷性質(zhì)。Bi_2S_3獨(dú)特的準(zhǔn)一維結(jié)構(gòu)對(duì)于缺陷性質(zhì)產(chǎn)生了很大的影響,使其本征缺陷的性質(zhì)與傳統(tǒng)的共價(jià)二元半導(dǎo)體的缺陷性質(zhì)很不相同。Bi_2S_3的本征缺陷主要為施主缺陷,這解釋了實(shí)驗(yàn)上觀察到的本征n型導(dǎo)電的現(xiàn)象。而最主要的本征缺陷多為深能級(jí)缺陷,這在很大程度上限制了Bi_2S_3作為光吸收材料和感光材料的應(yīng)用。除本征缺陷外,我們還研究了一系列摻雜缺陷對(duì)Bi_2S_3的影響:發(fā)現(xiàn)由于摻雜限制規(guī)律的作用,在Bi_2S_3中較難實(shí)現(xiàn)良好的p型摻雜,Pb元素是我們研究的摻雜元素中唯一能使Bi_2S_3呈現(xiàn)為弱p型導(dǎo)電的;其他元素?fù)诫s使Bi_2S_3表現(xiàn)為n型導(dǎo)電,其中Cu,Br,Cl元素?fù)诫s既不會(huì)引入深能級(jí)缺陷又能獲得良好的n型導(dǎo)電。因此,Cu,Br,Cl元素?fù)诫s的Bi_2S_3可以做良好的n型電子接收材料和對(duì)電極材料。缺陷性質(zhì)不僅是衡量太陽(yáng)能電池材料性能的一個(gè)重要指標(biāo),也是衡量場(chǎng)效應(yīng)晶體管中半導(dǎo)體材料導(dǎo)電性能的重要指標(biāo)。WSe_2這種層狀過(guò)渡金屬二硫化物,可以用來(lái)制作場(chǎng)效應(yīng)晶體管。通常,場(chǎng)效應(yīng)晶體管材料要求有良好的雙極性導(dǎo)電。然而實(shí)驗(yàn)上報(bào)道WSe_2的n型摻雜效果不如p型摻雜效果好。我們從缺陷角度研究了一系列元素?fù)诫s的情況,篩選了合適的p型和n型摻雜元素。WSe_2中本征缺陷的形成能均較高,從而可以獲得高濃度的外來(lái)元素?fù)诫s。從元素?fù)诫s的計(jì)算結(jié)果分析,可以看到Nb和Ta摻雜可以獲得良好的p型導(dǎo)電;而Re,Ru和Os摻雜使樣品呈現(xiàn)出n型導(dǎo)電但摻雜效果不如Nb和Ta。第5章我們轉(zhuǎn)向了另一類熱點(diǎn)材料四元雙鈣鈦礦鹵化物(Cs_2AgBiBr_6和Cs_2AgBiCl_6)。我們采用不同交換關(guān)聯(lián)勢(shì)對(duì)Cs_2AgBiBr_6和Cs_2AgBiCl_6的熱力學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)從理論上預(yù)測(cè)它們的熱力學(xué)穩(wěn)定性是非常依賴于交換關(guān)聯(lián)勢(shì)的,并指出了采用optB88-vdW交換關(guān)聯(lián)勢(shì)來(lái)研究雙鈣鈦礦鹵化物的熱力學(xué)穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)性質(zhì)是最為合適的。第6章我們對(duì)零維金屬鹵化物鈣鈦礦包括有機(jī)無(wú)機(jī)雜化零維金屬鹵化物鈣鈦礦(C_4N_2H_(14)X)_4SnX_6(X=Br,I)和全無(wú)機(jī)零維金屬鹵化物鈣鈦礦Cs_4PbBr_6的發(fā)光機(jī)理進(jìn)行了研究。我們討論了電子結(jié)構(gòu)的性質(zhì),自俘獲激子的性質(zhì)和缺陷俘獲激子的性質(zhì)等。這一系列性質(zhì)的研究和討論,對(duì)于實(shí)驗(yàn)上觀察到的(C_4N_2H_(14)X)_4SnX_6(X=Br,I)和Cs_4PbBr_6光物理特性給出了充分、合理的解釋。第7章回顧了本論文的主要結(jié)論并對(duì)新型硫族和鹵族光電半導(dǎo)體材料的應(yīng)用進(jìn)行了展望。
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：O472
【圖文】：

陽(yáng)能電池的工作原理簡(jiǎn)述陽(yáng)能電池是一類基于光伏效應(yīng)，可將光能直接轉(zhuǎn)化為電能的固態(tài)的過(guò)程為材料受光照射后，將產(chǎn)生非平衡電子-空穴對(duì)，當(dāng)它們被就形成了電流，實(shí)現(xiàn)了光能到電能的轉(zhuǎn)換。太陽(yáng)能電池的核心部n 結(jié)是 p 型（空穴濃度高電子濃度低）半導(dǎo)體材料和 n 型（空穴濃高）半導(dǎo)體緊密接觸形成的界面結(jié)構(gòu)，具有單向?qū)щ娦阅�。�?p度差作用，n 區(qū)的電子將擴(kuò)散到 p 區(qū)，在 n 區(qū)留下帶正電離子核穴將擴(kuò)散到 n 區(qū)，在 p 區(qū)留下帶負(fù)電離子核，從而產(chǎn)生由 n 區(qū)指向場(chǎng)。在該電場(chǎng)的作用下，n 區(qū)的空穴將漂移至 p 區(qū)，p 區(qū)的電子將達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。這個(gè)區(qū)域由于沒(méi)有電荷積累，也稱之為耗盡層，

華東師范大學(xué)博士學(xué)位論文Sb2Se3是直接帶隙值半導(dǎo)體，其帶隙值為 1.0-1.2eV[12]，它的吸收系數(shù)很高，在短波段，吸收系數(shù)大于 105cm-1。Sb2Se3為本征 p 型導(dǎo)電[13]，空穴的遷移率為42cm2/V/s[14]，可以用來(lái)做太陽(yáng)能電池的吸收層。鑒于 Sb2Se3是二元化合物，且有著固定的配比和相結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，制備 Sb2Se3不會(huì)像制備 Cu2ZnSnS4那樣復(fù)雜，即在合成的過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)很多的競(jìng)爭(zhēng)相和不同的缺陷。Sb2Se3主要用做薄膜太陽(yáng)能電池材料，當(dāng)前光電轉(zhuǎn)化效率實(shí)驗(yàn)室的最高紀(jì)錄為 7.6%[15]。

華東師范大學(xué)博士學(xué)位論文在易被氧化的問(wèn)題，另外一方面是除 Sn 和 Ge 元素外，能替代 Pb 元素的其他合適的+2 價(jià)元素非常有限。這又促使科研工作者提出了其他的設(shè)計(jì)方法，類似基于 CdTe 獲得銅銦硒的陽(yáng)離子演化法。他們提出在 APbX3全無(wú)機(jī)金屬鹵化物鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)框架基礎(chǔ)上，用+1 和+3 價(jià)的元素來(lái)替代+2 價(jià)的 Pb 元素，演化得到四元無(wú)機(jī)雙鈣鈦礦半導(dǎo)體，四元無(wú)機(jī)雙鈣鈦礦的結(jié)構(gòu)如圖 1-4 所示。如果將+1 價(jià)的元素?fù)Q成類似 CH3NH3+的有機(jī)基團(tuán)，可得到有機(jī)無(wú)機(jī)雜化的雙鈣鈦礦半導(dǎo)體。基于這種設(shè)計(jì)思路，出現(xiàn)了很多四元雙鈣鈦礦材料，這些四元雙鈣鈦礦材料性質(zhì)和特點(diǎn)有待科研工作者深入解讀。

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