ZnO基半導體異質結材料與器件的理論研究
發(fā)布時間：2021-02-18 07:47
氧化鋅（ZnO）是一種典型的直接寬禁帶半導體材料,其具有3.37 eV的大禁帶寬度,激子結合能高達60 meV,是目前最具應用潛力的氧化物半導體之一。室溫下三維ZnO的最穩(wěn)定結構為六方纖鋅礦結構,沿c軸方向上具有優(yōu)良的壓電性質。這些特性使得ZnO在紫外發(fā)光器件、高溫微電子器件、光電子器件、太陽能電池和壓電器件等領域顯示出了廣泛而優(yōu)越的應用前景。另外,2013年二維ZnO（g-ZnO）的成功制備推動了ZnO在低維領域的發(fā)展,為其在電子器件應用中的微型化、集成化和多功能化提供了基礎。為了獲得材料中更新穎、更優(yōu)越的物理性質,構建異質結是有效的研究方法之一,因為通常來說,異質結會表現出比組成個體更優(yōu)異的性質和應用價值。目前針對ZnO基異質結的研究囊括了三維異質結和二維異質結領域,越來越多的新的物理性質逐漸被人們發(fā)現。本論文從基于密度泛函理論框架下的第一性原理出發(fā),理論上研究了三維ZnO基異質結和二維g-ZnO基異質結在應變和外電場下的局域極化、電子能帶結構和光學性質等,為ZnO基半導體光電子器件的設計提供了理論基礎。主要研究內容及成果如下:首先計算了三維纖鋅礦ZnO和立方相PbTiO...
【文章來源】：中國礦業(yè)大學江蘇省 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：71 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
一些半導體材料在光電探測器、太陽能電池上的應用[3,4]
1緒論3圖1-1一些半導體材料在光電探測器、太陽能電池上的應用[3,4]Figure1-1Semiconductorapplicationsinphotodetectorsandsolarcells[3,4]1.3ZnO簡介（IntroductionofZnO）1.3.1ZnO基本性質ZnO是一種典型的Ⅱ-Ⅵ族寬禁帶氧化物半導體材料，自身具有非常好的光電性質和壓電性質。如圖1-2所示，在自然條件下，ZnO的結晶狀態(tài)具有三種不同的晶體結構：六角纖鋅礦結構(hexagonalwurtzite)，閃鋅礦結構(zincblende)和巖鹽礦結構(rocksalt)。其中纖鋅礦結構為其熱力學穩(wěn)定結構[6]，閃鋅礦結構則一般存在于立方結構的襯底當中，而巖鹽礦結構可通過對纖鋅礦ZnO施加高壓獲得。圖1-2不同構型下ZnO的原子結構示意圖。依次為纖鋅礦型ZnO，閃鋅礦型ZnO以及巖鹽礦型ZnO(圖片來自網絡）Figure1-2TheatomicstructureofZnOwithdifferentconfiguration:wurtziteZnO,zincblendeZnOandrocksaltZnO(fromtheInternet)在室溫下，ZnO表現為穩(wěn)定的六方纖鋅礦結構，屬六方晶系，空間群為P63mc，晶格常數為：a=3.249，c=5.206，c/a=1.602，α=β=90°，γ=120°。理論上纖鋅礦結構的ZnO為六方密排堆積，在一個原胞里每個Zn原子被四個O原子包圍，同樣地每個O原子也被四個Zn原子包圍，從而每個Zn原子和最近鄰的四個O原子組成一個四面體結構，每個O原子也與周圍最近的四個Zn原子構成一個四面體結構，這兩個子結構共同組成了整體的復式格子。其中O的原子坐標為(0,0,0)和(0.6667,0.3333,0.5)，Zn的原子坐標為(0,0,0.3825)和(0.6667,0.333,0.8825)。在實際ZnO晶體中，由于長程極化效應，使ZnO存在
碩士學位論文6Sr、La、Pr等。B位通常為過渡金屬離子，如：Ti、Co、Mn、Fe等，處于由陰離子O形成的八面體的中心。A離子的配位數為12，周圍最近的有12個O離子。B離子的配位數為6，最近的也是6個O離子。O離子的配位數也是6，周圍最近的是4個A離子和2個B離子。O離子和B離子形成了正八面體結構，這也是鈣鈦礦非常重要的結構特點。鈣鈦礦具有不同于其他材料的結構，使其富含了許多特有的性質，例如鐵電性，鐵磁性，鐵彈性，壓電性，抗磁性，順磁性，反鐵磁性，亞鐵磁性等，在太陽能電池，存儲器，激光器，光電探測器，光通信等領域均具有廣泛的應用前景。PbTiO3是一種典型的鈣鈦礦結構氧化物，是鐵電和壓電領域研究的重要材料，于1950年首次被人們發(fā)現。PbTiO3的居里溫度為490℃(Tc=490℃)，在居里溫度以下，表現為四方鐵電相結構，晶格常數為a=3.905，c=4.156，c/a=1.063。在490℃左右發(fā)生結構相變，于居里溫度以上的高溫下表現為立方順電相結構。對于四方結構的PbTiO3，由于正負電荷中心不重合將產生自發(fā)極化，并且自發(fā)極化的方向在外加電場下會發(fā)生翻轉，使得PbTiO3具有鐵電性。理論上PbTiO3的極化值可達到81μC/cm2，但在室溫下能實際觀測到的值最高為75μC/cm2，是目前已知的鐵電材料中自發(fā)極化強度最高的材料之一。立方的PbTiO3由于正負電荷中心重合因此不具有自發(fā)極化和鐵電性。利用以上性質，PbTiO3在壓電陶瓷、驅動器、超聲波傳感器和鐵電非揮發(fā)性存儲器等領域具有重要的應用。圖1-3鈣鈦礦結構示意圖Figure1-3Theschematicdiagramofperovskite
【參考文獻】：
期刊論文
[1]取向納米ZnO/Cu2O異質結陣列的制備及光電特性[J]. 宋亞男,李夢軻,張?zhí)烀?孫杰婷,王楠,王玉瓊,楊蕊,付宏波,馮秋菊,顧吉林. 中國科學:化學. 2014(10)
本文編號：3039264
【文章來源】：中國礦業(yè)大學江蘇省 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數】：71 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
一些半導體材料在光電探測器、太陽能電池上的應用[3,4]
1緒論3圖1-1一些半導體材料在光電探測器、太陽能電池上的應用[3,4]Figure1-1Semiconductorapplicationsinphotodetectorsandsolarcells[3,4]1.3ZnO簡介（IntroductionofZnO）1.3.1ZnO基本性質ZnO是一種典型的Ⅱ-Ⅵ族寬禁帶氧化物半導體材料，自身具有非常好的光電性質和壓電性質。如圖1-2所示，在自然條件下，ZnO的結晶狀態(tài)具有三種不同的晶體結構：六角纖鋅礦結構(hexagonalwurtzite)，閃鋅礦結構(zincblende)和巖鹽礦結構(rocksalt)。其中纖鋅礦結構為其熱力學穩(wěn)定結構[6]，閃鋅礦結構則一般存在于立方結構的襯底當中，而巖鹽礦結構可通過對纖鋅礦ZnO施加高壓獲得。圖1-2不同構型下ZnO的原子結構示意圖。依次為纖鋅礦型ZnO，閃鋅礦型ZnO以及巖鹽礦型ZnO(圖片來自網絡）Figure1-2TheatomicstructureofZnOwithdifferentconfiguration:wurtziteZnO,zincblendeZnOandrocksaltZnO(fromtheInternet)在室溫下，ZnO表現為穩(wěn)定的六方纖鋅礦結構，屬六方晶系，空間群為P63mc，晶格常數為：a=3.249，c=5.206，c/a=1.602，α=β=90°，γ=120°。理論上纖鋅礦結構的ZnO為六方密排堆積，在一個原胞里每個Zn原子被四個O原子包圍，同樣地每個O原子也被四個Zn原子包圍，從而每個Zn原子和最近鄰的四個O原子組成一個四面體結構，每個O原子也與周圍最近的四個Zn原子構成一個四面體結構，這兩個子結構共同組成了整體的復式格子。其中O的原子坐標為(0,0,0)和(0.6667,0.3333,0.5)，Zn的原子坐標為(0,0,0.3825)和(0.6667,0.333,0.8825)。在實際ZnO晶體中，由于長程極化效應，使ZnO存在
碩士學位論文6Sr、La、Pr等。B位通常為過渡金屬離子，如：Ti、Co、Mn、Fe等，處于由陰離子O形成的八面體的中心。A離子的配位數為12，周圍最近的有12個O離子。B離子的配位數為6，最近的也是6個O離子。O離子的配位數也是6，周圍最近的是4個A離子和2個B離子。O離子和B離子形成了正八面體結構，這也是鈣鈦礦非常重要的結構特點。鈣鈦礦具有不同于其他材料的結構，使其富含了許多特有的性質，例如鐵電性，鐵磁性，鐵彈性，壓電性，抗磁性，順磁性，反鐵磁性，亞鐵磁性等，在太陽能電池，存儲器，激光器，光電探測器，光通信等領域均具有廣泛的應用前景。PbTiO3是一種典型的鈣鈦礦結構氧化物，是鐵電和壓電領域研究的重要材料，于1950年首次被人們發(fā)現。PbTiO3的居里溫度為490℃(Tc=490℃)，在居里溫度以下，表現為四方鐵電相結構，晶格常數為a=3.905，c=4.156，c/a=1.063。在490℃左右發(fā)生結構相變，于居里溫度以上的高溫下表現為立方順電相結構。對于四方結構的PbTiO3，由于正負電荷中心不重合將產生自發(fā)極化，并且自發(fā)極化的方向在外加電場下會發(fā)生翻轉，使得PbTiO3具有鐵電性。理論上PbTiO3的極化值可達到81μC/cm2，但在室溫下能實際觀測到的值最高為75μC/cm2，是目前已知的鐵電材料中自發(fā)極化強度最高的材料之一。立方的PbTiO3由于正負電荷中心重合因此不具有自發(fā)極化和鐵電性。利用以上性質，PbTiO3在壓電陶瓷、驅動器、超聲波傳感器和鐵電非揮發(fā)性存儲器等領域具有重要的應用。圖1-3鈣鈦礦結構示意圖Figure1-3Theschematicdiagramofperovskite
【參考文獻】：
期刊論文
[1]取向納米ZnO/Cu2O異質結陣列的制備及光電特性[J]. 宋亞男,李夢軻,張?zhí)烀?孫杰婷,王楠,王玉瓊,楊蕊,付宏波,馮秋菊,顧吉林. 中國科學:化學. 2014(10)
本文編號：3039264
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