金刚石和氮化锌半导体材料电子性质研究

论文摘要

本论文的工作是通过第一性原理计算,结合分子轨道理论和半导体理论等对金刚石和氮化锌半导体电子材料的相关性质进行探索和研究。近年来随着密度泛函理论和数值算法的发展,基于密度泛函理论的第一性原理方法已成为凝聚念物理和材料科学等领域开展研究的重要工具。本论文通过第一性原理计算对金刚石和氮化锌半导体材料性质进行了研究,涉及的材料物性包括几何构型、电子结构、光学性质等。金刚石作为光电子材料具有优异的物理、化学性能,非常适合制作高频、高温、大功率电子元件和电化学元件。氢、氧吸附金刚石表面表现出完全不同的电学性质,对电子器件的质量有直接影响。而空位缺陷是影响金刚石薄膜质量的又一个重要因素。随着电子器件尺寸的继续减小和集成度的增加,这种影响越来越重要。因此,深入研究金刚石材料表面的相关杂质、缺陷的微观结构及电子性质对金刚石材料在电子学领域的应用具有重要的指导意义,是碳材料应用领域的一个重要前沿。对于块体材料,随着重硼掺杂金刚石高温超导现象的发现,重硼掺杂金刚石材料的电子性质及其超导转变机理成为人们关注的焦点,并引发了对同族元素硅材料在重硼掺杂条件下相关性质研究的兴趣。硅和金刚石具有相似的晶体结构,那么,是否意味着硼对两者的电子性质影响是相似的呢?如果不是,影响又是怎样的呢?因此,重硼掺杂金刚石（硅）材料相关性质的理论研究,对理解超导转变机理及其应用具有重要的意义,是金刚石（硅）材料研究的又一热点和亮点。氮化锌是锌的多种化合物中研究较少的一种二元材料。它是制造发光二极管的潜在材料,另外通过热氧化氮化锌可以合成高质量的ZnO薄膜。实验上测得氮化锌的性质尤其是带隙值多种多样,且合成的氮化锌薄膜呈现偶然的n型导电特性。在缺乏实验数据的前提下,第一性原理计算可以提供相关的性质研究,既从理论上解释了实验现象,又为实验提供了新的思想。本论文结构如下:第一章说明了本课题的研究背景和意义。介绍了金刚石和氮化锌材料的实验和理论研究现状。指出了目前研究中存在的问题和可能的解决方法。阐明了进行该研究的理论意义和实际意义。第二章简要介绍了密度泛函理论的基本框架和近年来的理论发展。密度泛函理论的发展以寻找合适的交换相关能量泛函为主线。从最初的局域密度近似（LDA）、广义梯度近似（GGA）到现在的杂化泛函,使计算结果的精确度越来越高。除了改进交换相关泛函,近年来密度泛函理论向动力学平均场和含时等方面的扩展也很活跃,使得密度泛函理论的应用领域不断扩大。第三章基于密度泛函理论的广义梯度近似（GGA）方法研究了一系列氢、氧吸附金刚石（100）表面的几何、电子结构,及空位在（100）表面的扩散行为。判定了表面氢原子、氧原子的稳定存在方式。计算的结果表明桥位氧结构（C-O-C）比顶位氧（C=O）能量低,最稳定的结构是羟基吸附的表面。这些结论与最大硬度原理（HOMO-LUMO）分析的结果一致。电子结构的分析表明,氧吸附表面的极化比氢终止表面强烈得多,这是由于电荷转移的程度前者比后者强烈,是通常情况下氢吸附表面易被氧化的原因之一。态密度分析表明氢吸附金刚石p型表面电导归因于费米能级附近电子局域化程度降低,使得电子易于从内部转移至表面,在次表面形成空穴积聚层。由于氧在费米能级附近引入了更多的局域表面态,致使氧吸附表面的表面电导被削弱。但是价带顶若出现更多表面态却可以产生“跳跃”电导,解释了最近的实验现象。此外,对于金刚石（100）（2×1）表面上中性和带电的单空位和双空位的几何、电子结构的研究表明,中性双空位有较低的形成能,表明它在（100）表面浓度较高。单空位很难从第一层扩散到第二层,需要克服的能量势垒为2.7 eV。总能量表明中性空位是最稳定的缺陷。而且,计算与分析表明随表面费米能级的变化,空位可以存在多种电荷态,空位扩散可以通过电荷状态的改变来进行。第四章研究了重硼掺杂金刚石（硅）体系的电子性质。详细研究了孤立替位硼和硼团簇对金刚石（硅）电子结构的影响。确定了金刚石晶格常数随硼浓度增加呈线性关系。通过对重硼掺杂金刚石（硅）材料电子性质的研究,探讨了硼元素在金刚石（硅）高温超导转变过程中的影响及其与超导转变温度的关系。得到了硼二聚体在金刚石（硅）中的稳定存在形式。指出了三个替位硼复合物在金刚石中的稳定组态。电子结构的计算结果表明,硼团簇（除了金刚石中的硼二聚体）引起的杂质带和价带相混合且费米能级位于价带,支持了从金属到超导体的转变机理。通过比较重硼掺杂金刚石和硅材料的电子结构,发现硼浓度相同时,硼二聚体掺杂金刚石费米能级附近态密度的影响比对掺杂硅的影响大,得到了超导转变温度与基质材料有关的结论,进而研究发现,前者的超导临界温度与硼浓度和硼缺陷的组态都有关系,而后者只与硼浓度有关系。第五章利用第一性原理计算研究了氮化锌材料中可能的氧缺陷和本征缺陷电子结构,分析讨论了该材料实验样品中出现的带隙不一致等现象。通过形成能的比较研究探讨了样品中各种可能存在的缺陷及其相关电子性质,发现氧替位氮的缺陷或氮空位缺陷可能是导致偶然n型导电的原因。并讨论了可能的光学跃迁,给出了实验上氮化锌带隙存在不同值的可能原因。第六章对本论文进行了总结,并对今后拟开展的工作进行了展望。本论文在密度泛函理论框架下从理论上解释了氢、氧对金刚石（100）表面导电性质的影响,研究指出吸附的氢可导致p型表面电导,顶位氧可导致“跳跃”电导。讨论比较了硼浓度和组态对重硼掺杂金刚石（硅）体系超导临界温度的影响,指出前者与硼浓度和硼组态都有关系,后者只与硼浓度有关系。研究了氧缺陷和本征缺陷对氮化锌材料的几何、电子和光学性质的影响,得到了合理的结果,很好地解释了实验现象。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景和意义
• 1.1.1 金刚石材料
• 1.1.2 氮化锌材料
• 1.2 金刚石材料的结构与性能
• 1.2.1 结构性质
• 1.2.2 金刚石薄膜的力学、电学性能
• 1.3 氮化锌材料结构与性能
• 1.3.1 结构性质
• 3N₂的电子学性质'>1.3.2 Zn₃N₂的电子学性质
• 1.4 本论文的研究内容
• 参考文献
• 第二章 密度泛函理论基础
• 2.1 第一性原理计算和密度泛函理论的基本概念
• 2.1.1 从波函数到电子密度
• 2.1.2 Hohenberg-Kohn方程
• 2.1.3 Kohn-Sham定理
• 2.2 交换相关能量泛函
• 2.2.1 LDA和GGA
• 2.2.2 杂化密度泛函
• 2.3 平面波及赝势方法
• 2.3.1 平面波方法
• 2.3.2 赝势
• 2.4 密度泛函理论的修正与扩展
• 参考文献
• 第三章 金刚石（100）表面几何结构和电子性质
• 3.1 金刚石（100）表面的平衡几何结构
• 3.1.1 实验和理论研究背景
• 3.1.2 计算方法与模型
• 3.1.3 几何结构
• 3.1.4 稳定性
• 3.1.5 近表面电荷分布
• 3.1.6 表面电子结构
• 3.1.7 小结
• 3.2 金刚石（100）（2×1）表面空位的几何结构的理论研究
• 3.2.1 研究背景
• 3.2.2 计算方法
• 3.2.3 中性和带电的单空位
• 3.2.4 中性和带电的双空位
• 3.2.5 金刚石表面空位的电子性质
• 3.2.6 小结
• 参考文献
• 第四章 重硼掺杂金刚石（硅）材料的电子性质
• 4.1 研究的实验和理论背景
• 4.2 重硼掺杂金刚石材料的能量和电子性质
• 4.2.1 模型结构和能量
• 4.2.2 电子性质
• 4.3 重硼掺杂硅材料几何和电子性质
• 4.3.1 计算方法与模型
• 4.3.2 孤立替位硼
• 4.3.3 硼团簇
• C'>4.3.4 超导临界温度T_C
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 氧、本征缺陷对氮化锌材料性质的影响
• 5.1 引言
• 5.2 计算方法
• 5.3 氧缺陷氮化锌的几何、电子和光学性质
• 5.3.1 结构及稳定性
• 5.3.2 电子性质
• 5.3.3 光学性质
• 5.4 含本征缺陷氮化锌材料的几何、电子和光学性质
• 5.4.1 结构与稳定性
• 5.4.2 电子性质
• 5.4.3 光学性质
• 5.5 小结
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要结论与创新点
• 6.2 展望
• 攻读博士学位发表论文目录和获奖情况
• 发表论文
• 获奖情况
• 参加的研究项目
• 致谢
• 英文论文一
• 英文论文二
• 学位论文评阅及答辩情况表