二维6H-SiC光学特性的应变调控

为了减小6H-SiC的带隙、提高对可见光的吸收效率和载流子迁移速率,采用第一性原理研究了应变对6H-SiC的能带结构、光学吸收系数、载流子迁移率以及光催化特性的影响。结果表明：应变能够降低6H-SiC的导带底,但对价带顶没有影响,导致带隙减小。随着应变的增加,吸收曲线向低能级方向移动,即发生红移,有利于可见光的吸收。施加应变后空穴的载流子迁移率提高,有利于载流子移动,且空穴的载流子迁移率是电子的2.5倍,有利于空穴和电子的分离。综合应变对带隙大小、带边位置的影响可知,应变在±2%、±4%时对可见光的吸收以及光催化制氢最有效。综上所述,应变能够对6H-SiC的光学吸收和光催化特性有很好的调控作用。     

非对称双轴张应变对锗能带的影响

采用第一性原理方法系统地研究了沿(001)、(101)和(111)面施加晶面内各方向应变不相等的双轴张应变,即非对称双轴张应变对锗能带结构的影响.结果表明:对于沿(001)面施加非对称双轴张应变,至少某一个方向应变大于2.95%,间接-直接带隙转变才能发生;对于沿(101)面施加非对称双轴张应变,至少某一个方向应变大于3.44%,间接-直接带隙转变才能发生;然而,沿(111)面施加非对称双轴张应变,不发生间接-直接带隙转变.另外,研究还发现无论是施加对称双轴应变还是非对称双轴应变,间接-直接带隙转变得到的应变Ge带隙值都与应变前后拉伸面面积变化大小成反比.     

Effects of rapid thermal annealing on crystallinity and Sn surface segregation of Ge_(1-x)Sn_x films on Si(100) and Si(111)

Germanium-tin films with rather high Sn content(28.04% and 29.61%) are deposited directly on Si(100) and Si(111)substrates by magnetron sputtering. The mechanism of the effect of rapid thermal annealing on the Sn surface segregation of Ge_(1-x)Sn_x films is investigated by x-ray photoelectron spectroscopy(XPS) and atomic force microscopy(AFM). The x-ray diffraction(XRD) is also performed to determine the crystallinities of the Ge_(1-x)Sn_x films. The experimental results indicate that root mean square(RMS) values of the annealed samples are comparatively small and have no noticeable changes for the as-grown sample when annealing temperature is below 400℃. The diameter of the Sn three-dimensional(3 D) island becomes larger than that of an as-grown sample when the annealing temperature is 700℃. In addition, the Sn surface composition decreases when annealing temperature ranges from 400℃ to 700℃. However, Sn bulk compositions in samples A and B are kept almost unchanged when the annealing temperature is below 600℃. The present investigation demonstrates that the crystallinity of Ge_(1-x)Sn_x/Si(111) has no obvious advantage over that of Ge_(1-x)Sn_x/Si(100) and the selection of Si(111) substrate is an effective method to improve the surface morphologies of Ge_(1-x)Sn_x films. We also find that more severe Sn surface segregation occurs in the Ge_(1-x)Sn_x/Si(111) sample during annealing than in the Ge_(1-x)Sn_x/Si(100) sample.     

量子局域效应和应力对GaSb纳米线电子结构影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法, 研究了不同晶体结构和尺寸的GaSb纳米线能带结构特性和载流子的有效质量, 以及单轴应力对GaSb纳米线能带结构的调控. 研究结果表明: 闪锌矿结构[111]方向和纤锌矿结构[0001]方向的小尺寸GaSb纳米线均出现间接带隙的能带结构, 并可通过单轴应力来实现纳米线能带结构由间接带隙到直接带隙的转变, 其中, 闪锌矿结构[111]方向GaSb纳米线仅在受到单轴拉伸应力时才发生能带由间接带隙到直接带隙的转变, 而纤锌矿结构[0001]方向GaSb纳米线无论受单轴拉伸还是压缩应力的作用均可实现能带由间接带隙到直接带隙的转变; [111]和[0001]方向GaSb纳米线的带隙和载流子有效质量与纳米线直径呈非线性关系, 并随纳米线直径的减小而增大; 同一方向和尺寸的GaSb纳米线, 其空穴有效质量要小于电子有效质量, 这表明小尺寸GaSb纳米线有利于空穴载流子输运.     

直接带隙Ge_(1-x)Sn_x本征载流子浓度研究

通过合金化改性技术,Ge可由间接带隙半导体转变为直接带隙半导体.改性后的Ge半导体可同时应用于光子器件和电子器件,极具发展潜力.基于直接带隙Ge1-x Sn x半导体合金8带Kronig-Penny模型,重点研究了其导带有效状态密度、价带有效状态密度及本征载流子浓度,旨在为直接带隙改性Ge半导体物理的理解及相关器件的研究设计提供有价值的参考.研究结果表明:直接带隙Ge1-x Sn x合金导带有效状态密度随着Sn组分x的增加而明显减小,价带有效状态密度几乎不随Sn组分变化.与体Ge半导体相比,直接带隙Ge1-x Sn x合金导带有效状态密度、价带有效状态密度分别低两个和一个数量级;直接带隙Ge1-x Sn x合金本征载流子浓度随着Sn组分的增加而增加,比体Ge半导体高一个数量级以上.     

First-principles Band Structures Calculation of Tin-phthalocyanine

SnPc(Tin-phthalocyanine)因在无机/有机二极管等光电结构器件中表现出了很多有趣的特性而备受关注.为了更深地理解载流子的传输特性,利用密度泛函理论,采用广义梯度近似(DFT-GGA),关联函数选择BLYP计算了SnPc的能带结构.从点波函数、能带带宽以及带隙分析了载流子的传输行为. 从前线轨道的带宽以及电子和空穴的有效质量,可以看到电子的传输要比空穴的传输容易两倍左右.而且,当研究费米能级附近的能带时,发现未占有带的带隙总体上要小于占有带的带隙,这表明在考虑声子参与的情况下,电子在带间的跳跃要比空穴容易得多.以上的事实说明SnPc是一种电子传输占主导的材料.     

应变(001)p型金属氧化物半导体反型层空穴量子化与电导率有效质量

基于k·p微扰理论框架,研究建立了单轴张/压应变Si,Si基双轴应变p型金属氧化物半导体(PMOS)反型层空穴量子化有效质量与空穴面内电导率有效质量模型.结果表明:对于单轴应力PMOS,选择单轴压应力可有效增强器件的性能;同等增强PMOS空穴迁移率,需要施加的单轴力强度小于双轴力的强度;在选择双轴应力增强器件性能时,应优先选择应变Si1-x Ge x作为沟道材料.所获得的量化理论结论可为Si基及其他应变器件的物理理解及设计提供重要理论参考.     

边修饰GeS2纳米带的电子特性及调控效应

GeS₂单层已成功制备,为了进一步扩展其应用范围以及发现新的物理特性,我们构建扶手椅型GeS₂纳米带(AGeS₂NR)模型,并采用不同浓度的H或O原子进行边缘修饰,且对其结构稳定性、电子特性、载流子迁移率以及物理场调控效应进行深入研究.研究表明边修饰纳米带具有良好的能量与热稳定性.裸边纳米带是无磁半导体,而边修饰能改变AGeS₂NR的带隙,使其成为宽带隙或窄带隙半导体,或金属,这与边缘态消除或部分消除或产生杂化能带有关,所以边缘修饰调控扩展了纳米带在电子器件及光学器件领域的应用范围.此外,计算发现载流子迁移率对边缘修饰十分敏感,可以调节纳米带载流子迁移率(电子、空穴)的差异达到1个数量级,同时产生载流子极化达到1个数量级.研究还表明半导体性纳米带在较大的应变范围内具有保持电子相不变的鲁棒性,对于保持相关器件电子输运的稳定性是有益的.绝大部分半导体性纳米带在较高的外电场作用下,都具有保持半导体特性不变的稳定性,但带隙随电场增大而明显变小.总之,本研究为理解GeS₂纳米带特性并研发...     

ZnS电子结构及电性能应力效应的研究

基于广义梯度近似平面电子波函数密度泛函理论计算的方法研究了无压力下和在1 GPa外压应力下闪锌矿结构ZnS的能带结构、电子状态密度、结合状况和介电性能。结果表明在外加1 GPa压力时闪锌矿结构ZnS晶格常数由2.7605减小到2.7049,对称性不变.在外压1 GPa应力下ZnS仍呈直接带隙的能带结构,带隙宽度较未加压力时减小到1.698 e V.在外加1 GPa压应力下ZnS费米能附近的载流子浓度大大增加,更容易发生跃迁而产生电迁移和光电现象。外加1 GPa压力时Zn-S键长由2.3905减小到2.3405,Zn-S成键数量由1.820个增加到1.860个.ZnS硫化物在紫外和可见光波段主要存在四个介电吸收峰,外加1 GPa压应力下位于170 nm和210 nm附近的直接跃迁介电吸收峰强度降低.     

一种新型二维TiO_2的电子结构与光催化性质

基于第一性原理计算方法,设计出了一种新型二维半导体材料TiO_2,并进一步研究了其结构稳定性,电子结构,载流子迁移率和光学性质等.二维TiO_2的形成能、声子谱、分子动力学、弹性常数表明,二维TiO_2具有较好的动力学,热力学和机械稳定性,具备实验制备的条件,且能够稳定存在于常温条件下.电子结构分析表明,二维TiO_2是一种间接带隙半导体,在GGA+PBE和HSE06算法下的能隙分别为1.19 e V和2.76 e V,其价带顶和导带底能级分别由Ti-3d和Ti-4s态电子构成, O原子的电子态在费米能级附近贡献很小,主要分布在深处能级.载流子迁移率显示,二维TiO_2的迁移率比单层Mo S2要小,其电子和空穴迁移率分别为31.09和36.29 cm~2·V~(–1)·s~(–1).由于空穴迁移率和电子迁移率的各向异性,电子-空穴复合率较低,使得单层TiO_2的使用寿命更长,光催化活性更好.在应变调控下,二维TiO_2的能隙发生明显响应,以适用于各种半导体器件的需要.半导体的带边势和光学性质显示,在–5%—2%单/双轴应变下,二维TiO_2能够光裂水制H2,在–5%—5%单/双轴应变下,能够光裂水制O_2, H_2O_2和O_3等.此外,二维TiO_2对可见光和紫外光具有较高的吸收系数,说明其在未来光电子器件和光催化材料领域有着潜在的应用前景.     

直接带隙Ge$lt;sub$gt;1-$lt;em$gt;x$lt;/em$gt;$lt;/sub$gt;Sn$lt;sub$gt;$lt;em$gt;x$lt;/em$gt;$lt;/sub$gt;本征载流子浓度研究

通过合金化改性技术, Ge可由间接带隙半导体转变为直接带隙半导体. 改性后的Ge半导体可同时应用于光子器件和电子器件, 极具发展潜力. 基于直接带隙Ge_1-xSn_x半导体合金8带Kronig-Penny模型, 重点研究了其导带有效状态密度、价带有效状态密度及本征载流子浓度, 旨在为直接带隙改性Ge半导体物理的理解及相关器件的研究设计提供有价值的参考. 研究结果表明: 直接带隙Ge_1-xSn_x合金导带有效状态密度随着Sn组分x的增加而明显减小, 价带有效状态密度几乎不随Sn组分变化. 与体Ge半导体相比, 直接带隙Ge_1-xSn_x合金导带有效状态密度、价带有效状态密度分别低两个和一个数量级; 直接带隙Ge_1-xSn_x合金本征载流子浓度随着Sn组分的增加而增加, 比体Ge半导体高一个数量级以上. 关键词： 1-xSn_x')" href="#">Ge_1-xSn_x 直接带隙 本征载流子浓度     

A hybrid functional first-principles study on the band structure of non-strained Ge_(1-x)Sn_x alloys

Using hybrid-functional first-principles calculation combined with the supercell method and band unfolding technique we investigate the band structure of non-strained Ge_(1-x)Sn_x alloys with various Sn concentrations. The calculations show that at the Sn concentration of ～ 3.1 mol% the Ge Sn alloy presents a direct band gap. The variation of the band structure are ascribed to the weaker electro-negativity of Sn atoms and a slight charge transfer from Sn atoms to Ge atoms.     

光器件应用改性Ge的能带结构模型

Ge为间接带隙半导体,通过改性技术可以转换为准直接或者直接带隙半导体.准/直接带隙改性Ge半导体载流子辐射复合效率高,应用于光器件发光效率高;同时,准/直接带隙改性Ge半导体载流子迁移率显著高于Si半导体载流子迁移率,应用于电子器件工作速度快、频率特性好.综合以上原因,准/直接带隙改性Ge具备了单片同层光电集成的应用潜力.能带结构是准/直接带隙改性Ge材料实现单片同层光电集成的理论基础之一,目前该方面的工作仍存在不足.针对该问题,本文主要开展了以下三方面工作:1)揭示了不同改性条件下Ge材料带隙类型转化规律,完善了间接转直接带隙Ge实现方法的相关理论; 2)研究建立了准/直接带隙改性Ge的能带E-k模型,据此所获相关结论可为发光二极管、激光器件仿真模型提供关键参数; 3)提出了准/直接带隙改性Ge的带隙调制方案,为准/直接带隙改性Ge单片同层光电集成的实现提供了理论参考.本文的研究结果量化,可为准/直接带隙改性Ge材料物理的理解,以及Ge基光互连中发光器件有源层研究设计提供重要理论依据.     

应变Ge/Si1-xGex 价带色散模型

基于k·p微扰理论, 通过引入应变哈密顿量作为微扰, 建立了双轴应变Ge/Si_1-xGe_x价带色散关系模型. 模型适于任意晶向弛豫Si_1-xGe_x虚衬底上的应变Ge价带结构, 通过该模型可获得任意k方向应变Ge的价带结构和空穴有效质量. 模型的Matlab模拟结果显示, 应变Ge/Si_1-xGe_x价带带边空穴有效质量随Ge组分的增加而减小, 其各向异性比弛豫Ge更加显著. 本文研究成果对Si基应变Ge MOS器件及集成电路的沟道应力与晶向的设计有参考价值.     

压应变Ge/(001)Si1-xGex空穴散射与迁移率模型

应变Ge材料因其载流子迁移率高, 且与硅工艺兼容等优点, 已成为硅基CMOS研究发展的重点和热点. 本文基于压应变Ge/(001)Si_1-xGe_x价带结构模型, 研究了压应变Ge/(001)Si_1-xGe_x空穴各散射概率、空穴迁移率与Ge组分(x)的关系, 包括空穴离化杂质散射概率、声学声子散射、非极性光学声子散射、总散射概率以及空穴各向同性、各向异性迁移率, 获得了有实用价值的相关结论. 本文量化模型可为应力致Ge改性半导体物理的理解及相关器件的研究设计提供有重要的理论参考.     

应变层异质结ZnS/ZnSe、ZnS/ZnSxSe1-x和ZnSe/ZnSxSe1-x价带带阶的研究

采用基于原子球近似下线性Mufin-Tin轨道(LMTO-ASA)的平均键能计算方法,研究了以ZnS_xSe_1-x为衬底,沿(001)方向外延生长的应变层异质结ZnS/ZnSe、ZnS/ZnS_xSe_1-x和ZnSe/ZnS_xSe_1-x的价带带阶值ΔE_v(x).研究表明,ΔE_v(x)值随衬底合金组分x单调变化。且两者的关系是非线性的。在此计算结果与其它理论计算和实验结果符合较好。     

A k·p analytical model for valence band of biaxial strained Ge on（001） Si1-xGex

In this paper,the dispersion relationship is derived by using the k·p method with the help of the perturbation theory,and we obtain the analytical expression in connection with the deformation potential.The calculation of the valence band of the biaxial strained Ge/（001）Si1-xGex is then performed.The results show that the first valence band edge moves up as Ge fraction x decreases,while the second valence band edge moves down.The band structures in the strained Ge/（001）Si 0.4 Ge 0.6 exhibit significant changes with x decreasing in the relaxed Ge along the [0,0,k] and the [k,0,0] directions.Furthermore,we employ a pseudo-potential total energy package（CASTEP） approach to calculate the band structure with the Ge fraction ranging from x = 0.6 to 1.Our analytical results of the splitting energy accord with the CASTEP-extracted results.The quantitative results obtained in this work can provide some theoretical references to the understanding of the strained Ge materials and the conduction channel design related to stress and orientation in the strained Ge pMOSFET.     

Band-gap engineering of La_(1-x)Nd_xAlO_3(x = 0,0.25,0.50,0.75,1)perovskite using density functional theory:A modified Becke Johnson potential study

The structural,electronic,and magnetic properties of the Nd-doped Rare earth aluminate,La_(1-x)Nd_xAlO_3(x = 0%to 100%) alloys are studied using the full potential linearized augmented plane wave(FP-LAPW) method within the density functional theory.The effects of the Nd substitution in La AlO_3 are studied using the supercell calculations.The computed electronic structure with the modified Becke–Johnson(m BJ) potential based approximation indicates that the La_(1-x)Nd_xAlO_3 alloys may possess half-metallic(HM) behaviors when doped with Nd of a finite density of states at the Fermi level(E_F).The direct and indirect band gaps are studied each as a function of x which is the concentration of Nddoped La AlO_3.The calculated magnetic moments in the La_(1-x)Nd_xAlO_3 alloys are found to arise mainly from the Nd-4f state.A probable half-metallic nature is suggested for each of these systems with supportive integral magnetic moments and highly spin-polarized electronic structures in these doped systems at E_F.The observed decrease of the band gap with the increase in the concentration of Nd doping in La AlO_3 is a suitable technique for harnessing useful spintronic and magnetic devices.     

N型稀磁半导体Ge_(0.96–x) Bi_xFe_(0.04)Te薄膜的磁电性质研究

GeTe基稀磁半导体材料因具有可独立调控载流子浓度和磁性离子浓度的特性而受到广泛关注.本文利用脉冲激光沉积技术制备了该体系的单晶外延薄膜,并通过高价态Bi元素部分取代Ge元素的方法实现了材料中载流子类型从空穴向电子的转变,即制备出N型GeTe基稀磁半导体.测量结果表明,无论是室温还是低温下的Hall电阻曲线皆呈现负斜率,说明体系中载流子是电子;并且当Bi掺杂量达到32%时,电子浓度为10~(21)/cm~3.变温输运性质的测量证明体系的输运行为呈现半导体特征.通过测量低温10 K下的绝热磁化曲线,在高Bi掺杂体系中观测到了明显的铁磁行为,而低于32%Bi掺杂量的体系中未观察到.这一结果说明,高掺杂Bi的替代导致载流子浓度的增加,促进了载流子传递Ruderman-Kittel-Kasuya-Yoshida相互作用,使得分散的Fe-Fe之间产生磁耦合作用,进而形成铁磁有序态.     

Ab-initio calculations of bandgap tuning of In1-xGaxY (Y = N,P) alloys for optoelectronic applications

The Ⅲ-V alloys and doping to tune the bandgap for solar cells and other optoelectronic devices has remained a hot topic of research for the last few decades. In the present article, the bandgap tuning and its influence on optical properties of In_1-xGa_xN/P, where (x = 0.0, 0.25, 0.50, 0.75, and 1.0) alloys are comprehensively analyzed by density functional theory based on full-potential linearized augmented plane wave method (FP-LAPW) and modified Becke and Johnson potentials (TB-mBJ). The direct bandgaps turn from 0.7 eV to 3.44 eV, and 1.41 eV to 2.32 eV for In_1-xGa_xN/P alloys, which increases their potentials for optoelectronic devices. The optical properties are discussed such as dielectric constants, refraction, absorption, optical conductivity, and reflection. The light is polarized in the low energy region with minimum reflection. The absorption and optical conduction are maxima in the visible region, and they are shifted into the ultraviolet region by Ga doping. Moreover, static dielectric constant ε₁(0) is in line with the bandgap from Penn's model.