应力对单层GaTe能带结构和迁移率影响的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算分析了单层碲化镓(GaTe)能带结构和载流子迁移率随外加应力的变化.计算发现:载流子有效质量和迁移率随K点位置而不同,并且形变势对载流子迁移率影响很大;在单层GaTe的b轴或ab双轴上施加合适的压应力对能带结构的影响较为明显,可使其从间接带隙转变为直接带隙,并且带隙随着压应力的增加而逐渐减小;此外,施加ab双轴压应力更能提高载流子迁移率.因此,单层GaTe在应力调控下可作为制备高性能微纳电子器件的一种有前途的候选材料.     

硒化镉纳米线在应力作用下的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算分析了不同横向尺寸的硒化镉(cdse)纳米线在拉伸和压缩单轴应力作用下的能带结构、载流子(电子和空穴)的有效质量以及迁移率的变化.计算结果表明,CdSe纳米线在施加应变或改变横向尺寸时,均表现为直接带隙半导体.随着压缩应变(0;～-10;)和拉伸应变(2;～10;)的增加,CdSe纳米线的带隙逐渐减小,但横向尺寸小的纳米线的带隙相对宽些.导带底电子迁移率随着应变从-10;至10;变化而逐渐减小,而价带顶空穴迁移率在施加应变从4;至10;变化时也缓慢减小.直径为1.2 nm的CdSe纳米线在施加的压缩应变为-10;时,电子和空穴迁移率最大,分别为2890em2·V-1·s-1和2273 cm2·V-·s-1.因此,横向尺寸较小的CdSe纳米线在合适的压应力调控下有望成为一种制备高性能新型纳米电子器件的候选材料.     

双轴应变对g-ZnO/WS2异质结电子结构及光学性质影响的第一性原理计算

单层g-ZnO由于吸收光谱宽而受到研究者关注,但载流子复合是单层g-ZnO作为光催化剂无法避免的问题,如何降低电子空穴对复合率,提高单层g-ZnO对可见光利用率成为值得研究的问题,搭建异质结并对其进行双轴应变是一种可行的办法。本文采用第一性原理方法,研究双轴应变对g-ZnO/WS₂异质结电子结构及光学性质的调控规律。结果表明:g-ZnO/WS₂异质结禁带宽度为1.646 eV,由于异质结体系内部产生内置电场,降低了其光生载流子的复合率,同时异质结光吸收带边拓展至可见光区域。对异质结实施应变后,除压缩应变(-2.5%)体系外,其余应变体系吸收带边均出现红移现象,并且红移程度和对电荷的束缚能力均随着应变的增加而增强。相比于未实施应变的体系,应变体系对光生电子载流子的阻碍作用更强,其光催化能力得到更大提高。以上结果说明搭建g-ZnO/WS₂异质结并对其进行双轴应变对异质结的电子结构及光学性质具有显著的调控作用,使其在窄禁带及红外、可见光半导体器件和光催化材料等领域具有应用价值。     

基于第一性原理的Au、Cu、Sb掺杂CdTe的结构模拟和光学性能预测

基于密度泛函理论研究了Au、Cu、Sb掺杂CdTe体系的电子结构和光学性能。Au、Cu、Sb掺杂CdTe体系均能稳定存在，过渡金属原子与Cd原子轨道的杂化减小了CdTe的带隙，提高了CdTe对可见光的利用，同时降低了光生电子从价带跃迁到导带所需的能量，从而促进了更多的光生电子发生迁移，大大提高了其光学性能。三种掺杂体系中Sb/CdTe体系在可见光范围内光吸收系数提升最显著，其光生电子和光生空穴迁移率相对于CdTe体系分别增加5.97倍和15.54倍。通过计算掺杂体系的能带、态密度、电子布居、光吸收函数、载流子迁移率，从理论上揭示了Au、Cu、Sb提高CdTe光学性能的机理。     

低维第五主族纳米材料的研究进展:从结构性质到制备应用

石墨烯的零带隙和二硫化钼载流子迁移率低的性质阻碍了它们在电子器件中的应用。单层黑磷的成功制备和磷烯的直接带隙、较高的载流子迁移率和负的泊松比等性质弥补了石墨烯和二硫化钼的不足,引发了人们对低维第五主族纳米材料的研究兴趣,使低维第五主族纳米材料在材料科学和光电子等领域快速发展。本文总结了近几年第五主族低维纳米材料的一些研究成果,结合理论计算和实验合成两个方面进行研究,分析了材料的结构和性能之间的关系,最后对上述材料的制备方法及应用情况进行了总结。低维第五主族纳米材料呈现出多种晶体结构、较高的动力学稳定性、丰富的电子结构性质和较高的载流子迁移率等特性。上述性质使得低维第五主族纳米材料在低维光电子器件等方面具有广泛的应用前景。     

应变对Mo2C(001)表面电子结构及光学性质的影响

采用第一性原理方法研究应变对Mo₂C(001)表面电子结构及光学性质的影响。研究表明,在应变作用下Mo₂C(001)表面均为间接带隙半导体,带隙随着压应变和拉应变的增加而减小。当应变为-20%时,Mo₂C(001)表面由间接带隙半导体转变为金属性质。当应变为-20%、-15%、-10%、-5%、0%、5%、10%、15%、20%时,其带隙分别为0 eV、0.162 eV、0.376 eV、0.574 eV、0.696 eV、0.708 eV、0.604 eV、0.437 eV、0.309 eV。带隙变化的原因主要是Mo 4p、4d、5s态电子和C 3p态电子对应变敏感,在应变作用下受激发,活性增强导致价带顶在布里渊区G、A、L、M点之间变化,导带底在K、H点之间变化;当应变由-15%逐渐变化到20%时,吸收谱的第一峰逐渐减弱,并且第一峰对应的光电子能量减小,吸收带边向低能方向移动,表明光吸收随着压应变增大而增加,吸收带边随着拉应变增加向低能方向移动。其他光学性质表现出类似的变化规律,光学性质计算结果表明应变能够有效调节光吸收特性,增强光学利用率,研究结果为Mo₂C(001)作为新型光电子材料的应用提供理论支撑。     

射频功率对ITZO薄膜结构、形貌及光电特性的影响

在室温下采用射频磁控溅射方法在玻璃衬底上制备了200 nm厚的铟锡锌氧化物(ITZO)薄膜,研究了不同功率下薄膜结构、形貌、光学和电学性能的变化规律.结果表明,ITZO薄膜为非晶薄膜并且有着良好的光电特性,其平均光学透过率超过了84;,载流子霍尔迁移率高达24 em2·V-1·s-1.随着射频功率从50 W上升到100 W,薄膜的光学带隙从3.68 eV逐渐增加到3.76 eV.研究发现,薄膜的电学性能强烈依赖于射频功率.随着功率的增加,薄膜的电学性能呈现出先变好后变差的变化规律.当射频功率为80 W时,ITZO薄膜拥有最佳的电学性能,其电阻率为3.80×10-4Ω·cm,载流子浓度为6.45×1020 cm-3,霍尔迁移率为24.14 cm2·V-1· s-1.     

应变对单层碘化铅的能带及光电导率影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理平面波赝势方法,研究了双轴拉应变下碘化铅单层晶体的电子结构和光电导性质.结果显示,其禁带宽度随拉应变增加而略呈线性下降趋势.对应变引起的光电导率的变化进行分析,表明双轴应变能使光电导的峰值略微红移.进一步分析了单层碘化铅晶体的能态密度,解释了单层碘化铅晶体能带结构改变的机制.     

石墨烯及石墨烯/氮化硼的电子结构特性研究

化学气相沉积法生长的单层石墨烯具有卓越的力学、热学和电学特性,成为新一代纳米器件的首选材料。对石墨烯电子特性的理论研究有利于推动纳米器件的发展与应用。本文基于密度泛函理论与非平衡格林函数相结合的方法,系统地研究了石墨烯及石墨烯/氮化硼的电子结构特性。结果表明,在高对称K点,带隙为零。在50~400 K范围内,由于费米面的电声子散射作用,单层石墨烯的迁移率随着温度增加呈现显著下降趋势。此外,通过对不同层间距的石墨烯/氮化硼结构的能带、态密度、电子密度等特性分析,发现随着层间距增加,能带间隙减小,导带与价带间的能量差减小。随着原子个数的增加,石墨烯/氮化硼超胞结构与原胞结构的带隙开度变化规律一致,这对石墨烯基器件的结构设计具有一定的指导意义。     

基于电场分布的压电纤维复合材料性能优化

将TiO2引入压电纤维复合材料(MFC)的粘结层以提高其介电常数,调控MFC极化和驱动过程中电场分布,实现了对MFC性能的优化.采用有限元分析的方法探究了粘结层介电常数对MFC电场分布的影响,指导设计了实验方案.采用切割-填充法制备了在粘结层聚合物中引入TiO2的MFC.铁电性能测试结果表明,MFC剩余极化强度随粘结层中TiO2质量分数的增加呈现先增大后减小的趋势,在粘结层中TiO2质量分数为8wt;时达到最大值.MFC驱动性能随TiO2质量分数变化的趋势与剩余极化强度一致,电场驱动下自由应变在TiO2质量分数为8wt;时达到峰值,为2.31 με.研究表明,引入TiO2调节粘结层介电常数可有效改善MFC的性能.     

Na掺杂对TiO2基材料电子结构、电子迁移特性及光吸收性质的影响

在赝势法密度泛函理论的基础上,系统研究了Na掺杂对TiO2基材料电子结构、载流子迁移和光吸收性质的影响.纯的TiO2基晶态材料呈现宽的直接带隙,其带隙宽度达2.438 eV,Na掺杂降低了TiO2基晶态材料的带隙至1.976 eV.纯的TiO2电子主要形成五个能带,而Na掺杂TiO2主要形成七个能带.TiO2材料的载流子迁移率较Na掺杂TiO2材料高,而Na掺杂TiO2材料载流子有效质量较TiO2的高.Na掺杂在TiO2材料价带中引入空穴和新的能级.Na掺杂大大提高了TiO2材料的载流子浓度,Ti中的p态电子,Na中的p态电子和O中的p态电子在导电过程中起着关键作用.Na掺杂TiO2材料的低能量光吸收限降低.     

Janus型二维磁电材料CrXX’(X/X’=S,Se,Te)第一性原理研究

自石墨烯被发现以来,各种具有新奇特性的二维材料受到了越来越多的关注。Janus型二维材料具有不对称的表面特性,这种特殊的结构往往具有独特的电学、磁学与光学性质,使其成为近年来材料科学领域研究的热点。本文搭建了Janus型结构CrXX’(X/X’=S,Se,Te)(CrSSe, CrSTe, CrSeTe),研究了体系的电学、磁学、光学性质,并探究了双轴应变对其电学、磁学、光学性质的影响。结果表明,CrSSe、CrSTe与CrSeTe均呈现金属性,都是电子的优良导体,三种体系的电子结构对外加应变具有很好的鲁棒性。CrXX’(X/X’=S,Se,Te)具有本征铁磁性,并且通过施加双轴应变可对其磁矩进行调控。此外,三种体系均具有较高的居里温度,特别是CrSTe的居里温度可达310 K。CrXX’(X/X’=S,Se,Te)还具有优异的可见光与紫外光吸收性能,应变可对其光吸收系数进行调控,并且压应变与拉应变可分别使其吸收谱线向短波与长波方向移动。本文的工作为进一步研究二维Janus单层CrXX’(X/X’=S,Se,Te)在新型室温自旋电子器件领域的应用提供了理论支持。     

(La,Y)掺杂AlN的电子结构和光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法对纯AlN、(La,Y)单掺杂以及La-Y共掺杂AlN 超胞进行几何结构优化,计算了稀土元素(La,Y)掺杂前后体系的能带结构、态密度和光学性质。结果表明:未掺杂的AlN是直接带隙半导体,带隙值为E_g=4.237 eV,在费米能级附近,态密度主要由Al-3p、N-2s电子轨道贡献电子,光吸收概率大,能量损失较大;掺杂后使得能带结构性质改变,带隙值降低,能带曲线变密集,总态密度整体下移;在光学性质中,稀土元素掺杂后均提高了静态介电常数、光吸收性能,增强了折射率和反射率,减小了电子吸收光子概率及能量损失;其中La-Y共掺体系变化得较为明显。     

InGaAs应变减少层对InAs量子点发光波长红移的影响

用有限元法对InAs/GaAs量子点材料的应变分布进行了研究,特别强调了三元化合物In0.2Ga0.8As应变减少层对各个应变分量的影响。在应变减少层作用下沿着平行生长方向和垂直于生长方向的应变分量增强;对电子结构有重要影响的静水应变和双轴应变分量也得到了增强。采用八带k.p理论,研究了在有应变减少层的条件下,应变对带边的影响,计算结果表明,与没有应变减少层相比,应变导致带隙变窄,定性解释了实验观察到的发光波长红移现象。通过调整相关参数,可以采用应变减少层技术实现光纤通信系统用的长波长发射激光器。     

半导体所在锑化物纳米线研究中取得系列进展

正III-V族半导体纳米线凭借其独特的准一维结构和物理特性在纳米晶体管、纳米传感器和纳米光电探测器等方面有着重要潜在应用,是当前国际研究的热点。特别是,三元合金InAsSb纳米线除了具有超高的载流子迁移率和极小的有效质量外,其可调的带隙以及电、光学性能使其成为红外探测器的理想材料。目前,国际上广泛采用外来Au催化的气-液-固(VLS)机制制备纳米线,但Au催化剂能在半导体材料中形成深能     

超薄异质结太阳能电池理论模拟计算及分析

采用AFORS-HET软件对超薄异质结太阳能电池的窗口层、本征层的掺杂浓度、厚度、带隙等参数进行了数值模拟和优化,结合实际具体分析了每个参数对超薄异质结电池性能的影响规律,且得出了最佳的优化参数。模拟结果表明:对于衬底厚度仅为80 μm的超薄异质结太阳能电池,随着窗口层厚度的增加,电池性能整体呈现下降的趋势,通过结合实际,得出窗口层的最佳厚度范围是5～9 nm;随着窗口层掺杂浓度的增加,电池性能整体呈现先增加后趋于恒定的趋势,窗口层理论上的最佳掺杂浓度范围为7×10¹⁹～8×10¹⁹;窗口层的带隙宽度对电池的开路电压和效率影响较大,对填充因子和短路电流有较小的影响,窗口层的最优带隙范围为1.85～2.0 eV。随着本征层厚度的增加,电池的填充因子FF和效率E_ff呈现先增加后减小的趋势,短路电流逐渐减小,而开路电压基本不变,本征层的最佳厚度是5～10 nm;当本征层的光学带隙小于1.8 eV时,对电池性能影响较小,当大于1.8 eV,电池性能急剧下降,因此本征层的最佳带隙范围是1.6～1.8 eV。     

黑磷-二硫化钼异质结光电流特性的研究

黑磷是一种近年来新兴的二维材料,具有可调控窄带隙及宽光吸收谱、高载流子迁移率等优异光电特性,可用于实现中红外波段高速光电探测器.但是黑磷样品在空气中的不稳定性也是制约其应用的主要因素.二硫化钼作为二维层状过渡金属硫属化物(TMDCs)中的典型代表,单层为直接带隙,双层及厚层为间接带隙,在可见光范围内有着较好的光电响应,但由于带隙范围的限制,在近红外的吸收较弱,几乎没有探测能力.基于此,本文通过构建二硫化钼在上,黑磷在下的垂直异质结构,通过硫化钼的保护作用实现了黑磷稳定性的提升,在空气环境中能够保持两个月之久;同时利用黑磷在近红外的吸收,增强了器件在近红外(940 nm)的响应.该异质结构对二维材料实现红外高性能的稳定探测有重要意义.     

N和As掺杂二维GeC光电性质的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论第一性原理,系统研究了单层GeC,N掺杂、As掺杂及N-As共掺杂GeC体系的稳定性、电子结构及光学性质等。结果表明,单层GeC是一种禁带宽度为2.10 eV的直接带隙半导体。与单层GeC相比,掺杂后体系的禁带宽度和功函数均减小,表明体系的电子跃迁所需的能量相对较少。并且,掺杂后体系的光吸收系数均有所提高,同时吸收带边也发生了红移,有效拓宽了体系对光的响应范围,提高了体系对光子的吸收能力。此外,As掺杂GeC体系不仅在费米能级附近出现了杂质能级,而且在低能区的吸收系数、静介电函数及消光系数等光学性质最优。本研究可为GeC光电相关实验制备提供理论基础。     

多层初始晶硅薄膜的微观结构及光电导特性分析

采用等离子体增强化学气相沉积技术通过高氢和低氢稀释层交替生长制备出多层初始晶硅薄膜,利用Raman散射、红外吸收、紫外可见吸收及I-V测量等技术分析了薄膜的微观结构、能带特征和光电导特性.结果显示,不同氢稀释层交替生长导致薄膜由非晶硅向初始晶硅结构转变,随高氢稀释层厚度的增加,薄膜微观结构有序性提高,所对应薄膜光学带隙减小,而带尾分布展宽.I-V测量显示,薄膜微观结构有序性提高和光学带隙降低的共同作用导致薄膜光敏性呈现先减小后增加趋势,然而,在高氢稀释层厚度较大时,纳米晶硅边界载流子快速复合导致薄膜光敏性的显著减小.     

拉伸变形对硅纳米管电子结构和光学性能的影响

采用基于密度泛函理论的CASTEP程序,对单壁手扶椅型(6,6)硅纳米管施加不同程度的拉伸变形,研究其电子结构和光学性质.研究发现,拉伸变形使得硅纳米管的Si-Si键长增加,布居数减小,稳定性降低.拉伸变形过程中,导带底的电子明显向低能区偏移,而价带顶的电子向高能区移动,从而能隙宽度减小.同时,由于共价键对价带电子的束缚度降低,价电子更容易受激发向导带跃迁.拉伸变形能够增大硅纳米管的静态介电常数和实数部的吸收宽度,并使介电函数虚数部在低能区发生红移,从而硅纳米管的能隙宽度减小.在近紫外光波段,红外和可见光波段硅纳米管的发光效率随拉伸变形量的增加而提高.研究结果为硅纳米管在光电器件的应用提供理论基础.