硅和砷烯中缺陷的電子結(jié)構(gòu)與光學(xué)性質(zhì)研究
本文關(guān)鍵詞：硅和砷烯中缺陷的電子結(jié)構(gòu)與光學(xué)性質(zhì)研究 出處：《南京大學(xué)》2017年博士論文 論文類(lèi)型：學(xué)位論文
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【摘要】：利用半導(dǎo)體材料特殊的物理特性,人們發(fā)明和制造了各種具有特定光電功能的器件,其中最具有代表性的是太陽(yáng)能電池和光電探測(cè)器。硅太陽(yáng)能電池是大面積器件,覆蓋了較寬的太陽(yáng)光譜范圍,至今已為人類(lèi)提供了大量的清潔能源,目前的主要研究目標(biāo)是怎樣有效地提高對(duì)光子的吸收能力,減少光生載流子的復(fù)合,從而提高電池的光電轉(zhuǎn)化效率。對(duì)于光電探測(cè)器,例如光電二極管,其工作原理類(lèi)似于太陽(yáng)能電池,但是對(duì)特定頻率的光信號(hào)做出響應(yīng),因此目前的研究重點(diǎn)是探索各種材料體系,通過(guò)調(diào)控電子結(jié)構(gòu)達(dá)到對(duì)特定光頻率的響應(yīng)。最近幾年,由于二維半導(dǎo)體材料具有多樣化的電子特性,帶隙覆蓋微波至紫外的電磁波段,其原子層厚度和光有強(qiáng)烈的相互作用,可形成獨(dú)特的光電子器件,因而進(jìn)入了研究人員的視野。實(shí)際半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)總是不完美的,不可避免地存在各種缺陷。缺陷能夠顯著地改變材料的電子結(jié)構(gòu),從而對(duì)器件的光電性能產(chǎn)生影響。對(duì)半導(dǎo)體材料中缺陷的調(diào)控有兩種策略：一方面盡量消除缺陷對(duì)器件的不利影響；另一方面利用缺陷設(shè)計(jì)特定的微結(jié)構(gòu),達(dá)到調(diào)控材料光電性質(zhì)的目的。為了得到性能優(yōu)良的光電器件,首先就要對(duì)半導(dǎo)體中的缺陷的性質(zhì)進(jìn)行深入的研究。利用密度泛函理論,從量子力學(xué)原理出發(fā),能夠直接計(jì)算材料中與缺陷相關(guān)的物理性質(zhì)。本文主要使用理論計(jì)算方法研究了半導(dǎo)體材料的點(diǎn)缺陷和面缺陷。孿晶界是一種特殊的面缺陷,位于其兩側(cè)的晶體結(jié)構(gòu)是鏡面對(duì)稱(chēng)的。二維材料中的缺陷類(lèi)型較多,本文對(duì)幾種常見(jiàn)的缺陷進(jìn)行了研究。本文第一章概述了固體材料中孿晶界面和二維材料中缺陷的研究,包括實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)和理論探索。第二章主要介紹了本文計(jì)算中使用的第一性原理方法和數(shù)值算法。另外也介紹了第一性分子動(dòng)力學(xué)和過(guò)渡態(tài)搜索的Nudged Elastic Band方法。第三章介紹了硅孿晶界誘導(dǎo)的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的第一性原理計(jì)算。第四章則詳細(xì)介紹了光學(xué)方法鑒定單層砷烯中拓?fù)淙毕蓊?lèi)型的工作。第五章對(duì)本文的工作進(jìn)行了總結(jié)和展望。本文主要的研究成果包括三部分：1.利用第一性原理軟件CASTEP計(jì)算了晶體硅和孿晶硅的能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和光學(xué)性質(zhì)。首先構(gòu)筑了包含孿晶界的晶體硅的超胞結(jié)構(gòu),并進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)果表明孿晶界上的硅鍵長(zhǎng)被拉伸,界面兩側(cè)產(chǎn)生了相互排斥的勢(shì)。通過(guò)比較晶體硅和孿晶硅超胞的能帶結(jié)構(gòu),確定了孿晶界面態(tài)的精確位置。孿晶界對(duì)態(tài)密度的影響主要位于價(jià)帶中,對(duì)導(dǎo)帶邊緣的影響并不明顯。孿晶界存在時(shí),可見(jiàn)光頻率的光學(xué)吸收系數(shù)劇烈增大,當(dāng)孿晶硅中存在常見(jiàn)的空位和雜質(zhì)時(shí),光學(xué)吸收在可見(jiàn)光頻率沒(méi)有減小。孿晶界能夠提高晶體硅對(duì)可見(jiàn)光的吸收,從而提高硅基太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率。2.構(gòu)建了包含各種缺陷的單層砷烯超胞,通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算了缺陷的形成能。MV-1、MV-2口MV-3代表三種單空位(MV)缺陷,其中MV-3型缺陷的形成能最小,表明結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定。另外,確定了雙空位(DV)和Stone-Wales (SW)型缺陷的重構(gòu)結(jié)構(gòu)。第一性分子動(dòng)力學(xué)模擬顯示：在低溫條件下,MV-1和MV-2型缺陷非常容易轉(zhuǎn)變?yōu)镸V-3型缺陷。DV和SW型缺陷在室溫下保持熱穩(wěn)定。利用過(guò)渡態(tài)搜索方法,找到了發(fā)生結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的一些能量勢(shì)壘和反應(yīng)路徑。MV-3缺陷的擴(kuò)散系數(shù)等于1.33×10~(-11)cm~2/s,略低于硅烯單空位的擴(kuò)散系數(shù),但略高于石墨烯單空位的擴(kuò)散系數(shù)。產(chǎn)生一個(gè)SW型缺陷需要克服1.136eV的勢(shì)壘能量,但消除一個(gè)SW型缺陷要更加容易,所以可以通過(guò)快速退火的方法消除砷烯中的SW缺陷。兩種雙空位DV-1和DV-2相互轉(zhuǎn)化的幾率相等。3.介電函數(shù)虛部和吸收系數(shù)的計(jì)算結(jié)果顯示單空位缺陷能夠增強(qiáng)砷烯晶體禁帶中的光躍遷,兩個(gè)新的特征峰出現(xiàn)在單空位結(jié)構(gòu)的光譜中。這種光譜的特點(diǎn)與雙空位和SW缺陷結(jié)構(gòu)的光譜特點(diǎn)明顯不同。這些光譜的差異可以提供砷烯中的拓?fù)淙毕莸南嚓P(guān)信息。
[Abstract]:In this paper , the author introduces the first principle method and numerical algorithm which can improve the photoelectric properties of the semiconductor . In the last few years , because the two - dimensional semiconductor material has various electron properties , the structure of the semiconductor material is not perfect , so it can improve the photoelectric conversion efficiency of the device . The structure of dual vacancy ( DV ) and Stone - Wales ( SW ) - type defects is determined . The first molecular dynamics simulation shows that MV - 1 and MV - 2 defects are very easy to transform into MV - 3 defects under low temperature conditions . The diffusion coefficient of MV - 3 defects is equal to 1.33 脳 10 ~ ( -11 ) cm ~ 2 / s , which is slightly lower than the diffusion coefficient of graphene single vacancy .
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TN304
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本文編號(hào)：1358256
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