砷化硼及砷化铟团簇结构、稳定性和电子性质的理论研究

论文摘要

III-V族低维半导体材料,在纳米光电子学、集成电路和纳米器件等方面有着极为重要的作用。近几十年来,人们在III-V族半导体薄膜、超晶格、纳米管和量子点的实验及理论研究中取得了巨大的进步,但截止目前,对于III-V族砷化硼和砷化铟在1200个原子范围内的研究却很有限。为此,文章采用密度泛函理论（DFT）对砷化硼以及砷化铟半导体团簇的几何结构、稳定性和电子性质进行了研究。首先,应用密度泛函理论的全电子方法优化得到了BnAsn （n=1-14）团簇基态几何结构,并对其稳定性和电子性质做了系统分析。结果表明,当n=4时团簇的基态由二维平面结构过渡到三维立体,当n > 4时团簇的基态随尺寸的增加而形成以B原子与As原子交替排列的四元环和六元环为结构基元的笼状构型;具有高对称的富勒笼状结构B12As12为最稳定团簇;能隙的取值范围显示BnAsn （n=1-14）团簇具有典型的半导体特征;BnAsn （n=1-14）团簇具有较强的分子特性和共价特性。其次,采用密度泛函理论下的赝势方法优化得到了五种稳定的InnAsn （n=4-90）管状团簇。通过研究发现,它们遵循着有趣的结构衍化规律,所有管状团簇在结构上都满足共同的分子通式Inpk/2As pk/2。管状团簇的主要结构单元是两个相互平行的p边形,外加p个四元环以及h个六元环结构,其中h、p和原子层数k满足关系:h=p×（k-2）/2。管状团簇的HOMO、LUMO的电子分布特征揭示了管状结构形成的内在原因,同时它也在微观层面上解释了实验中一维InAs纳米材料的生长机理。最后,以稳定管状团簇的结构为基础,通过搭建原胞,在周期边界条件下优化得到了无限长InAs纳米管的几何结构。结果表明,无限长纳米管具有与管状团簇极为类似的构型,且能带结构的分析发现不同类型的纳米管都表现出宽带隙的半导体特征。研究结果对于深入理解砷化硼团簇以及砷化铟纳米管的结构衍化和电子性质提供了一定的帮助,为III-V族低维半导体材料的进一步实验研究提供可靠的理论依据。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 团簇的定义和基本性质
• 1.1.1 团簇的定义
• 1.1.2 团簇的基本性质
• 1.2 团簇研究的现状及研究意义
• 1.3 Ⅲ-Ⅴ族砷化物半导体团簇的研究现状
• 1.3.1 研究背景
• 1.3.2 Ⅲ-Ⅴ 族砷化物半导体团簇的研究现状
• 1.3.3 砷化硼和砷化铟团簇的研究
• 1.4 本论文的主要工作及意义
• 2 理论基础和计算方法
• 2.1 第一性原理
• 2.1.1 绝热近似
• 2.1.2 Hartree-Fock 近似
• 2.2 密度泛函理论
• 2.2.1 早期的Thomas-Fermi 模型
• 2.2.2 Hohenberg-Kohn 定理
• 2.2.3 Kohn-Sham 方程
• 2.3 交换相关能泛函
• 2.3.1 局域密度近似
• 2.3.2 广义梯度近似
• 2.3.3 杂化密度泛函
• 2.4 Gaussian03 计算软件简介及基组选择
• 2.4.1 Gaussian03 计算软件简介
• 2.4.2 基组选择
• nAs_n（n=1-14）团簇结构和电子性质的密度泛函理论研究'>3 B_nAs_n（n=1-14）团簇结构和电子性质的密度泛函理论研究
• 3.1 引言
• 3.2 计算方法
• 3.3 结果分析与讨论
• nAs_n（n=1-14）团簇的最低能量结构及其演化规律'>3.3.1 B_nAs_n（n=1-14）团簇的最低能量结构及其演化规律
• nAs_n（n≤14）团簇稳定性及电子性质随尺寸的变化'>3.3.2 B_nAs_n（n≤14）团簇稳定性及电子性质随尺寸的变化
• 3.4 小结
• nAs_n（n=4-90）管状团簇和InAs 无限长纳米管的结构、稳定性和电子性质'>4 In_nAs_n（n=4-90）管状团簇和InAs 无限长纳米管的结构、稳定性和电子性质
• 4.1 引言
• 4.2 计算方法
• 4.3 结果与分析
• nAs_n （n=4-90）管状团簇的结构'>4.3.1 In_nAs_n（n=4-90）管状团簇的结构
• nAs_n管状团簇稳定性及电子性质随尺寸的变化'>4.3.2 In_nAs_n管状团簇稳定性及电子性质随尺寸的变化
• s 纳米管的结构与性质'>4.3.3 无限长InA_s纳米管的结构与性质
• 4.4 本章小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 在读期间发表的论文
• 后记