一维半导体纳米结构的第一原理研究：电子结构与器件设计

论文摘要

使用基于密度泛函的第一原理方法,我们研究了几种一维半导体纳米结构的本征的和掺杂状态的电子性质,由此提出了若干器件设计的构想。首先,我们研究了单晶结构的硅纳米管的电子性质和量子尺寸效应。我们提出的这种sp3杂化的单晶结构硅纳米管模型具有非常稳定的结构,它们的电子性质主要与管壁厚度有关系。尤其对于厚度不均匀的硅纳米管,其带隙主要由较厚管壁区域的尺寸决定,价带顶和导带底的波函数主要分布在较厚的管壁上:这提供了把导电通路和掺杂杂质在空间上分离的可能性。藉此我们提出了新的调制掺杂方法:在较薄的管壁上进行选择性的杂质（p型或者n型）掺杂,就可以在空间上把杂质和导电通道分开,从而降低杂质散射,组装出高载流子迁移率的纳米器件。第二,我们深入探讨了半导体表面上一维输运通道中杂质的局域结构和杂质散射的关系。和东京大学的Komori扫描隧道显微镜实验组合作,我们研究了在重构的Ge（001）-p（2×2）（或-c（4×2））表面上Sn和Si杂质对一维导电通道（π*电子）的散射机制。处在π*电子通路上的Si和Sn原子形成了符号相反的散射势场:Si形成了势阱,而Sn形成了势牟。我们提出了密度泛函计算和近自由电子模型相结合的理论方法来计算散射势场,很好的验证了实验的结果。进一步研究发现,这种散射势形成的原因与Si,Sn和Ge原子的p轨道能量的相对大小有关。第三,我们研究了硼氮纳米管的场发射性质,利用其近自由电子态作为电子输运通道来设计高性能的场发射器件。碱金属原子掺杂的硼氮纳米管在费米面附近具有一条金属性的能带（具有接近自由电子的色散关系并且远离散射中心）。我们使用基于第一原理的动态模拟方法,计算了外电场下碳纳米管和掺杂的BN纳米管的场发射性质,发现硼氮纳米管的场发射电流要比碳管高两个数量级。最后,我们还研究了SiC纳米线的力学和电子性质,以及外应力对电子性质的影响。我们的计算得到了和此前实验一致的结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 碳纳米管和硼氮纳米管
• 1.2.1 碳纳米管
• 1.2.2 硼氮纳米管
• 1.3 硅纳米线和硅纳米管
• 1.3.1 硅纳米线
• 1.3.2 硅纳米管
• 1.3.3 碳化硅纳米线
• 1.4 Ge（001）表面的准一维电子气
• 1.5 第一原理计算方法
• 1.6 研究内容
• 第2章 理论方法
• 2.1 引言
• 2.2 量子多体问题
• 2.3 密度泛函理论
• 2.4 自洽场方法
• 2.5 场发射的动态模拟方法
• 2.6 小结
• 第3章 单晶结构硅纳米管的电子性质
• 3.1 引言
• 3.2 均匀厚度的硅纳米管
• 3.2.1 晶体纳米管的结构模型和计算方法
• 3.2.2 纳米管的电子结构
• 3.3 不均匀厚度的硅纳米管
• 3.3.1 结构模型和计算方法
• 3.3.2 电子结构的非均匀性效应
• 3.3.3 基于非均匀性效应的新调制掺杂方法
• 3.3.4 硅纳米管的光学性质
• 3.4 硅锗异质结构的纳米线
• 3.5 结论
• *准一维导电通道中的杂质散射'>第4章 Ge（001）表面号π^*准一维导电通道中的杂质散射
• 4.1 引言
• 4.2 STM实验测量和驻波的相移分析
• 4.3 密度泛函方法和近自由电子模型
• 4.4 表面电子性质计算和STM图像模拟
• 4.5 散射势场的理论计算和形成机制
• 4.6 原子开关的翻转势垒
• 4.7 结论
• 第5章 硼氮纳米管的场发射特性
• 5.1 引言
• 5.2 计算方法:密度泛函和场发射动态模拟
• 5.3 Cs原子掺杂的硼氮纳米管的电子性质
• 5.4 Cs原子掺杂的硼氮纳米管的场发射性质
• 5.5 结论
• 第6章 碳化硅纳米线在应力下的电子学性质
• 6.1 引言
• 6.2 计算方法
• 6.3 SiC纳米线的电子结构和轴向应力的影响
• 6.4 SiC纳米线的力学性质
• 6.5 ZnO表面和ZnO纳米线上的H原子吸附
• 6.6 结论
• 第7章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果