多孔硅量子点中的电子局域态

经过激光辐照和高温退火加工能够生成多孔硅样品,在650—780 nm处检测到很强的光致荧光（PL）峰,并且有明显的钉扎和增强效应.实验表明,这种PL发光的强度与样品受辐照和退火的时间短密切相关.通过第一性原理模拟计算发现,样品表面用SiO 双键和Si—O—Si桥键钝化,能隙中会出现电子局域态.激光辐照和高温退火的时间长短决定了样品表面SiO双键和Si—O—Si桥键的密度,而该密度正是影响多孔硅量子点中电子局域态生成的关键. 关键词： 多孔硅量子点 硅氧钝化键 电子局域态     

单层硅Si6H4Ph2的稳定性和电子结构密度泛函研究

采用密度泛函计算方法,研究了二维单层硅Si6H4Ph2的稳定性及其电子结构．通过对纯硅纳米片Si6、加氢钝化的硅纳米片Si6H6以及添加苯基钝化的硅纳米片Si6H4Ph2对比研究,揭示了Si6H4Ph2的稳定性机理．通过电子结构研究,发现Si6H4Ph2与Si6H6类似,显示间接带隙半导体性质．     

Si(001)表面硅氧团簇原子与电子结构的第一性原理研究

在周期性边界条件下的k空间中,采用基于密度泛函理论的第一性原理广义梯度近似方法,对建立的规则对称型结构（A）、周期性非对称型结构（B）、周期性非对称型结构（C）、不规则型结构（D）四种可能的Si（001）表面硅氧团簇的结构模型进行了优化计算.结果表明优化后的表面结构呈无定形状,并且优化后的B,C,D三种模型的表面结构具有类似SiO₂的四面体结构的几何特征.此外,通过电子局域函数图以及Mulliken布居分析发现硅氧团簇中的Si—O键既有明显的离子键成分,也有一定的共价键成分. 关键词： Si（001）表面 硅氧团簇 密度泛函理论 第一性原理     

第一性原理研究厚度和空位缺陷对Si/SiO2界面电子结构与光学性质的影响

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,在局域密度近似（LDA）下研究了Si纳米层厚度和O空位缺陷对Si/SiO2界面电子结构及光学性质的影响．电子结构计算结果表明：在0.815~2.580nm的Si层厚度范围内,Si/SiO2界面结构的能隙随着厚度减小而逐渐增大,表现出明显的量子尺寸效应,这与实验以及其他理论计算结果一致;三种不同的O空位缺陷的存在均使得Si/SiO2界面能隙中出现了缺陷态,费米能级向高能量方向移动,且带隙有微弱增加．光学性质计算结果表明：随着Si纳米层厚度的减小,Si/SiO2界面吸收系数产生了蓝移;O空位缺陷引入后,界面光学性质的变化主要集中在低能区,即低能区的吸收系数和光电导率显著增加．可见,改变厚度和引入缺陷能够有效地调控Si/SiO2界面体系的电子和光学性质,上述研究结果为Si/SiO2界面材料的设计与应用提供了一定的理论依据．     

第一性原理研究厚度和空位缺陷对Si/SiO2界面电子结构与光学性质的影响

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法,在局域密度近似（ LDA）下研究了Si纳米层厚度和O空位缺陷对Si／SiO2界面电子结构及光学性质的影响．电子结构计算结果表明：在0.815～2.580nm的Si层厚度范围内, Si／SiO2界面结构的能隙随着厚度减小而逐渐增大,表现出明显的量子尺寸效应,这与实验以及其他理论计算结果一致;三种不同的O空位缺陷的存在均使得Si／SiO2界面能隙中出现了缺陷态,费米能级向高能量方向移动,且带隙有微弱增加．光学性质计算结果表明：随着Si纳米层厚度的减小, Si／SiO2界面吸收系数产生了蓝移; O空位缺陷引入后,界面光学性质的变化主要集中在低能区,即低能区的吸收系数和光电导率显著增加．可见,改变厚度和引入缺陷能够有效地调控Si／SiO2界面体系的电子和光学性质,上述研究结果为Si／SiO2界面材料的设计与应用提供了一定的理论依据．     

Pt/Ce4O8团簇催化活性的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算程序包VASP(Vienna ab-initio Simulation Package), 采用投影缀加平面波(Projector augmented wave, PAW)方法和具有三维周期性边界条件的超原胞模型, 对Pt在Ce4O8团簇上的吸附特性进行了研究. 结果表明Pt在Ce4O8团簇上的吸附作用很强，其吸附能大于Pt在CeO2晶体表面的吸附能. 所得吸附构型可分为三类：单键类, 双键类和多键类. 对其中最稳定吸附构型的电子结构分析表明：Pt的吸附诱导出了间隙态. 该态距离费米能级很近，使Pt/Ce4O8团簇活性很强. Pt与Ce4O8团簇发生了部分电荷转移, 从而使其中的一个Ce4+还原为Ce3+. 这些结果有助于理解在纳米尺度范围内Pt与CeO2的协同作用.     

多孔硅量子点的受激辐射：陷阱态的作用

 经激光辐照和高温退火后能够在硅基上生成氧化多孔硅结构。用514 nm的激光泵浦,观测到该多孔硅的受激辐射。当激励强度超过阈值时,在650～750 nm区域有很强的受激发光峰。这些受激发光峰的半高宽小于0.5 nm。激光辐照和高温退火后,在样品上能形成某些特殊的氧化结构。在傅里叶红外光谱分析中,显示有硅氧双键或硅氧桥键在硅表面形成。计算结果表明：当硅氧双键或硅氧桥键形成时,电子的陷阱态出现在纳晶硅的带隙中。价带顶和陷阱态之间的粒子数反转是解释这种受激辐射的关键。     

扶手椅型碳化硅纳米管电子结构和光学性质的研究

本文基于密度泛函理论研究了扶手椅型碳化硅纳米管(SiCNT)的电子结构、成键机制以及其光学性质。研究结果表明:当碳和硅的原子比为1∶1时,SiCNT的结构最为稳定,并且表现出诸多的优良性质。通过分析计算结果我们发现,SiCNT是间接带隙材料,并且管子的带隙随着直径的增加而增加。从SiCNT的轨道图谱中我们看到碳和硅原子之间属于sp2杂化,同时硅原子周围的电子密度明显要低于碳原子周围的电子密度。对能态密度的计算我们得知碳原子和硅原子分别主导价带和导带。与其它纳米管(BN)有所不同,SiCNT的光学性质更接近于各向同性材料。     

掺氧纳米硅局域态中的电子自旋能级展宽效应

本文发现很有趣的量子效应,纳米硅表面掺杂氧而形成的电子局域态中电子自旋能级间隔会有明显的展宽,被约束在局域态中的电子自旋±1/2能态间距被展宽两个数量级,达到100 meV左右.本文用纳秒脉冲激光在氧氛围中制备了掺杂氧纳米硅结构并形成电子局域态,在实验检测中探测到了电子自旋能级展宽效应;用第一性原理模拟计算方法研究了电子自旋能级展宽效应,具体地对于纳米硅量子点和量子层结构表面的硅氧双键与硅氧桥键局域态中的电子自旋量子态分别进行了模拟计算研究,证实了实验结果.结合实验与计算研究结果分析,建立起电子自旋能级展宽效应的物理模型.这些工作在量子信息高保真存储与处理上会有很好的应用.     

GaSi_n(n=1-6)团簇结构和稳定性的第一性原理研究

采用密度泛函理论(DFT),在B3LYP/6-311+G(d)水平下研究了GaSi_n(n=1-6)团簇的几何构型、电子性质、稳定性和振动特性.研究结果表明:GaSi_n(n=1-6)团簇基态结构基本保持了纯硅团簇的结构框架,Ga原子往往被吸附在Sin团簇的表面上.布局分析显示电子由Ga原子向Sin框架转移.平均束缚能和分裂能表明GaSi_3和GaSi_5团簇相对其他团簇具有较强的稳定性.振动特性研究表明:GaSi_n(n=1-6)团簇的IR活性最强振动模式主要是Ga原子与Sin结构之间的相对振动.极化率的研究表明,随着Si原子数的增多,GaSi_n团簇的非线形光学效应逐渐增强,更容易被外场极化.     

Si(111)面上氮原子薄膜的电子态密度第一性原理计算及分析

由于氮原子在Si(1 1 1)表面成键的失配度最小,因此考虑Si(1 1 1)取向上用不同百分比的氮原子钝化硅表面悬挂键.由第一性原理计算结果显示,当Si(1 1 1)表面层中的氮原子含量为75%—100%时,带隙展宽并且有局域陷阱态产生. 我们提出相应的局域电子态模型,从而解释了Si基氮膜光致荧光(PL)发光增强实验的物理机理. 关键词： 第一性原理计算 氮化Si薄膜 PL发光增强 局域陷阱态     

Localized electronic states in gaps on hole-net structures of silicon

Hole-net structure silicon is fabricated by laser irradiation and annealing, on which a photoluminescence (PL) band in a the region of 650--750~nm is pinned and its intensity increases obviously after oxidation. It is found that the PL intensity changes with both laser irradiation time and annealing time. Calculations show that some localized states appear in the band gap of the smaller nanocrystal when Si=O bonds or Si--O--Si bonds are passivated on the surface. It is discovered that the density and the number of Si=O bonds or Si--O--Si bonds related to both the irradiation time and the annealing time obviously affect the generation of the localized gap states of hole-net silicon, by which the production of stimulated emission through controlling oxidation time can be explained.     

纳米硅上的弯曲表面效应及其特征发光

纳米硅结构使能带的带隙展宽,并形成准直接能带带隙结构.弯曲表面上的某些键合可以在带隙中产生局域电子态,计算表明:纳米硅弯曲表面上的Si-N,Si=O和Si-O-Si键合能够分别在带隙中2.02 eV,1.78 eV和2.03 eV附近形成局域态子带,对应了实验光致荧光谱(PL)中605 nm处的LN线、693 nm处的LO1线和604 nm处的LO2线特征发光.特别是,Si-Yb键合在纳米硅弯曲表面上可以将发光波长调控到光通信窗口,在1310 nm到1600 nm范围形成LYb线特征发光.     

Trap states in oxidation layer of nanocrystal Si

The photoluminescence （PL） of nanocrystal present in porous silicon shifts from the near infrared to the ultraviolet depending on the size when the surface is passivated with Si-H bonds. After oxidation, the centre wavelength of PL band is pinned in a region of 700-750 nm and its intensity increases obviously. Calculation shows that trap electronic states appear in the band gap of a smaller nanocrystal when Si = O bonds or Si-O-Si bonds are formed. The changes in PL intensity and wavelength can be explained by both quantum confinement and trap states in an oxidation layer of nanocrystal. In the theoretical model, the most important factor in the enhancement and the pinning effects of PL emission is the relative position between the level of the trap states and the level of the photoexcitation in the silicon nanocrystal.     

XPS and RBS investigations of Si–Er–O interactions on a Si(1 0 0)-2x1 surface

The interactions among erbium, oxygen and silicon atoms on a Si(1 0 0)-2x1 reconstructed surface have been studied by means of X-ray photoelectron spectroscopy and Rutherford backscattering spectrometry. Erbium and oxygen were deposited at 600 °C on the Si surface and their behavior has been observed after different thermal processes. It was found that at 600 °C, the formation of a stable surface complex Er–O–Si is obtained together with Si oxidation; after an 800 °C annealing, the amount of oxygen bound to Si decreases and the remaining O atoms are mainly bonded to Er. An abrupt change was observed after 900 and 1000 °C annealings, which bury the Er atoms about 60 Å below the substrate surface. Our results give some hints to hypotise the O diffusion towards the Si bulk.     

氧化处理多孔硅的光致发光和发光衰减

用沸硫酸对多孔硅进行了处理,测量了它们的红外吸收光谱、光致发光光谱和发光衰减.对氢、氧的作用进行了讨论,发现氧的加入可使发光强度增加两个数量级,发光衰减变快.用三层发光模型对结果进行了讨论.     

MoSi_2(001)表面的氧吸附行为

运用第一原理密度泛函理论方法,首先计算了MoSi_2各清洁表面的表面能,(001)Si-|-Si断面具有较低的表面能,是MoSi_2最可能的解理面;通过生成能及键布居分析研究了单氧原子、双氧原子及氧分子在(001)Si-|-Si断面的吸附行为,发现单氧原子在空位处吸附最稳定,此时O极易与Si结合,得到的Si-O-Si键长及键角与SiO_2的非常接近,表明低浓度下O极易与表面的Si结合生成SiO_2;双氧原子发生空位+顶位吸附时O原子除与Si有强作用外,可与Mo有一定相互作用;氧分子以平行的方式接近空位最有利于吸附,此时氧分子最易分解为氧原子,发生氧原子在空位的吸附.     

硅量子点的形状及其弯曲表面效应

硅量子点的弯曲表面引起系统的对称性破缺, 致使某些表面键合在能带的带隙中形成局域电子态.计算结果表明:硅量子点的表面曲率不同形成的表面键合结合能和电子态分布明显不同. 例如, Si–O–Si桥键在曲率较大的表面键合能够在带隙中形成局域能级, 而在硅量子点曲率较小的近平台表面上键合不会形成任何局域态, 但此时的键合结合能较低. 用弯曲表面效应(CS)可以解释较小硅量子点的光致荧光光谱的红移现象. CS效应揭示了纳米物理中又一奇妙的特性. 实验证实, CS效应在带隙中形成的局域能级可以激活硅量子点发光. 关键词： 硅量子点 弯曲表面效应 表面键合 局域能级