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.     

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.     

氢化二维过渡金属硫化物的稳定性和电子特性:第一性原理研究

用氢对单层二维过渡金属硫化物(TMDs)进行功能化是调节单层TMDs电子性质的既有效又经济的方法.采用密度泛函理论,对单层TMDs (MX_2 (M=Mo, W; X=S, Se, Te))的稳定性和电子性质进行理论研究,发现在单层MX_2 的层间有一个比其表面更稳定的氢吸附位点.当同阳离子时,随着阴离子原子序数的增加, H原子与MX_2 层的结合越强,氢化单层MX_2 结构越稳定;相反,同阴离子时,随着阳离子原子序数的增加, H原子与MX_2 层的结合越弱.氢原子从MoS_2的表面经层间穿越到另一表面的扩散势垒约为0.9 eV.氢化对单层MX_2 的电子特性也会产生极大的影响,主要表现在氢化实现了MX_2 体系从无磁性到磁性体系的过渡.表面氢化会使MX_2 层的带隙急剧减小,而层间氢化使MX_2 的电子结构从半导体转变为金属能带.     

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...     

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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     

应力作用下吸附过渡金属原子的蓝磷单层中的拓扑转变（英文）

本文通过第一性原理计算方法研究了被第四B族过渡金属吸附原子(Cr,Mo,W)修饰的蓝磷单层的电子结构性质,发现Cr修饰的蓝磷单层为磁性半金属,而Mo或W修饰的蓝磷单层为半导体,其带隙均小于0.2 eV.对Mo或W修饰的蓝磷单层施加双轴压应力使得带隙先闭合再打开,且在此过程中发生了能带反转的现象,说明Mo或W修饰的蓝磷单层发生了拓扑转变.Mo和W修饰的蓝磷单层的拓扑转变压应力分别为-5.75%和-4.25%,其拓扑绝缘带隙分别为94 meV和218 meV.如此大的拓扑绝缘带隙意味着在较高温度条件下有可能在蓝磷单层中通过吸附过渡金属原子实现拓扑绝缘态.     

应力作用下吸附过渡金属原子的蓝磷单层中的拓扑转变

本文通过第一性原理计算方法研究了被第四B族过渡金属吸附原子(Cr，Mo，W)修饰的蓝磷单层的电子结构性质，发现Cr修饰的蓝磷单层为磁性半金属，而Mo或W修饰的蓝磷单层为半导体，其带隙均小于0.2 eV. 对Mo或W修饰的蓝磷单层施加双轴压应力使得带隙先闭合再打开，且在此过程中发生了能带反转的现象，说明Mo或W修饰的蓝磷单层发生了拓扑转变. Mo和W修饰的蓝磷单层的拓扑转变压应力分别为-5.75%和-4.25%，其拓扑绝缘带隙分别为94 meV和218 meV. 如此大的拓扑绝缘带隙意味着在较高温度条件下有可能在蓝磷单层中通过吸附过渡金属原子实现拓扑绝缘态.     

利用晶体结构工程提升GeSe化合物热电性能的研究

在热电研究领域, Ge Se是一种二维层状结构具有较大带隙的半导体,本征载流子浓度低,热电性能差.在本工作中,采用熔融淬火结合放电等离子活化烧结工艺制备了一系列的Ge Se_1–x Te_x (x=0, 0.05, 0.15, 0.25,0.35, 0.45)多晶样品,研究了Te含量对Ge Se化合物物相结构和热电输运性能的影响规律.结果表明:随着Te含量的增加, Ge Se的晶体结构逐渐由正交相向菱方相转变,使得材料的带隙降低,载流子浓度和迁移率同步增加;同时,晶体对称性的提高增加了化合物的能带简并度,有效提高了载流子有效质量.在这些因素的共同作用下,菱方相Ge Se的功率因子比正交相Ge Se提高约2—3个数量级.此外,菱方相Ge Se具有丰富的阳离子空位缺陷以及铁电特性所导致的声子软化现象,这导致其晶格热导率比正交相Ge Se降低近60%.当Te含量为0.45时,样品在573 K取得最大热电优值ZT为0.75,是本征Ge Se样品的19倍.晶体结构工程是提升Ge Se化合物热电性能的有效途径.     

类石墨烯硼-磷单层材料的电子与光学性能的第一性原理计算研究

基于第一性原理计算,对硼-磷单层材料的电子结构和光学性质进行系统地理论研究. 全局结构搜索和第一性原理分子动力学模拟现实二维硼-磷单层材料能量最低的结构与石墨烯类似,具有很高的稳定性. 类石墨烯二维硼-磷单层是直接带隙半导体,带隙宽度1.37 eV,其带隙宽度随层数增加而减少. 硼-磷单层的带隙宽度受外界应力影响.硼-磷单层的载流子迁移率达到106 cm2/V. MoS2/BP二维异质结可用于光电器件,其理论光电转换效率为17.7%?19.7%. 表明类石墨烯硼-磷二维材料在纳米电子器件与光电子器件的潜在应用价值.     

氢、氟原子边缘修饰β-GeSe纳米带的第一性原理研究

采用第一性原理计算方法研究了二维β相GeSe的电子结构,通过对二维单层β-GeSe剪切得到一维β-GeSe扶手椅型纳米带.研究不同带宽(N=1-5)β-GeSe扶手椅型纳米带的几何结构和电子性质,发现不同带宽纳米带能带带隙不同,带隙总体上随着带宽减小,而纳米带直接带隙半导体性质不受带宽影响.通过使用H、F原子对GeSe扶手椅型纳米带边缘修饰,H原子修饰纳米带导致能带类型从直接带隙向间接带隙的转变.在费米能级附近处F原子各轨道对价带和导带贡献比H原子各轨道贡献多,在边缘修饰中纳米带对F原子更加敏感.未修饰和使用H原子修饰纳米带在可见光范围内没有吸收峰,用F原子修饰纳米带在可见光范围内出现吸收峰.研究表明可以通过边缘修饰调控纳米带光学特性.     

Rb吸附石墨烯纳米带电子性质和光学性质的研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法了计算了Rb、O和H吸附石墨烯纳米带的差分电荷密度、能带结构、分波态密度和介电函数，调制了石墨烯纳米带的电子性质和光学性质，给出了不同杂质影响材料光学特性的规律.结果表明本征石墨烯纳米带为n型直接带隙半导体且带隙值为0.639 eV；Rb原子吸附石墨烯纳米带之后变为n型简并直接带隙半导体，带隙值为0.494eV；Rb和O吸附石墨烯纳米带变为p型简并直接带隙半导体，带隙值增加为0.996eV；增加H吸附石墨烯纳米带后，半导体类型变为n型直接带隙半导体，且带隙变为0.299eV，带隙值相对减小，更有利于半导体发光器件制备.吸附Rb、O和H原子后，石墨烯纳米带中电荷密度发生转移，导致C、Rb、O和H之间成键作用显著.吸附Rb之后，在费米能级附近由C-2p、Rb-5s贡献；增加O原子吸附之后，O-2p在费米能级附近贡献非常活跃，杂化效应使费米能级分裂出一条能带；再增加H原子吸附之后，Rb-4p贡献发生蓝移，O-2p在费米能级附近贡献非常强，费米能级分裂出两条能带.Rb、O和H的吸附后，明显调制了石墨烯纳米带的光学性质.     

First-principle study of nanostructures of functionalized graphene

We present first-principle calculations of 2D nanostructures of graphene functionalized with hydrogen and fluorine, respectively, in chair conformation. The partial density of states, band structure, binding energy and transverse displacement of C atoms due to functionalization (buckling) have been calculated within the framework of density functional theory as implemented in the SIESTA code. The variation in band gap and binding energy per add atom have been plotted against the number of add atoms, as the number of add atoms are incremented one by one. In all, 37 nanostructures with 18C atoms, 3 × 3 × 1 (i.e., the unit cell is repeated three times along x-axis and three times along y-axis) supercell, have been studied. The variation in C–C, C–H and C–F bond lengths and transverse displacement of C atoms (due to increase in add atoms) have been tabulated. A large amount of buckling is observed in the carbon lattice, 0.0053–0.7487 Å, due to hydrogenation and 0.0002–0.5379 Å, due to fluorination. As the number of add atoms (hydrogen or fluorine) is increased, a variation in the band gap is observed around the Fermi energy, resulting in change in behaviour of nanostructure from conductor to semiconductor/insulator. The binding energy per add atom increases with the increase in the number of add atoms. The nanostructures with 18C+18H and 18C+18F have maximum band gap of 4.98 eV and 3.64 eV, respectively, and binding energy per add atom –3.7562 eV and –3.3507 eV, respectively. Thus, these nanostructures are stable and are wide band-gap semiconductors, whereas the nanostructures with 18C+2H, 18C+4H, 18C+4F, 18C+8F, 18C+10F and 18C+10H atoms are small band-gap semiconductors with the band gap lying between 0.14 eV and 1.72 eV. Fluorine being more electronegative than hydrogen, the impact of electronegativity on band gap, binding energy and bond length is visible. It is also clear that it is possible to tune the electronic properties of functionalized graphene, which makes it a suitable material in microelectronics.     

Amorphous Ge??Te??: density functional, high-energy x-ray and neutron diffraction study

The structure and electronic properties of amorphous Ge(15)Te(85) have been studied by combining density functional (DF) simulations with high-energy x-ray and neutron diffraction measurements. Three models with 560 atoms have been constructed using reverse Monte Carlo methods constrained to (1) agree with the experimental structure factors S(Q), and have (2) energies close to the DF minimum and (3) a semiconducting band structure. The best structure is based on the melt-quenched DF structure and has a small number of Ge-Ge bonds. It shows interlocking networks of Te and GeTe with a significant fraction (22-24%) of voids (cavities). Ge occurs with both tetrahedral and 3 + 3 defective octahedral configurations, and the coordination of Te is slightly higher than indicated by the '8 - N rule' (N is the number of valence electrons). The GeTe network includes clusters of ABAB squares (A = Ge, B = Te), and the bonding is characterized by the chemical bond orders.     

Binary alloys of Ge and Te: order, voids, and the eutectic composition

The liquid and amorphous structures of Ge0.15Te0.85 and GeTe alloys are characterized using combined density functional/molecular dynamics simulations. Te is threefold coordinated, in contrast with predictions of the "8-N rule," and Ge atoms (fourfold coordinated) show octahedral and tetrahedral bonding angles. Cubic local environment occurs in both materials, and GeTe shows a pronounced alternation of atomic types. Tetrahedral Ge coordination is more common in the eutectic Ge0.15Te0.85, which comprises corner- and edge-sharing GeTe4 units surrounded by Te. There is no Te segregation, and the material resembles neither GeTe nor Te. The ubiquitous cavities (voids) have been overlooked in Ge0.15Te0.85, where they comprise over 25% of the volume.     

Dangling bond modulating the electronic and magnetic properties of zigzag SiGe nanoribbon

First-principles nonmagnetic calculations reveal a metallic character in zigzag SiGe nanoribbons (ZSiGeNRs) regardless of their width. The partial DOS projected onto the Si and Ge atoms of ZSiGeNR shows that a sharp peak at the Fermi level is derived from the edge Si and Ge atoms. The charge density contours show the Si–Ge bond is covalent bond, while for the Si–H bond and Ge–H bond, the valence charges are strongly accumulated around H atoms due to their stronger 1 s potential and the higher electronegativity of 2.20 than that of 1.90 for Si atom and 2.01 for Ge atom, so that a significant charge transformation from Si or Ge atoms to H atoms and thus an ionic binding feature. Spin–polarization calculations show that the band structures of ZSiGeNR are modified by the dangling bonds. Compared with perfect ZSiGeNR which is a ferrimagnetic semiconductor, the bands of the ZSiGeNRs with bare Si edge, bare Ge edge, and bare Si and Ge edges shift up and nearly flat extra bands appear at the Fermi level. The ZSiGeNR with bare Si edge or bare Ge edge is a ferrimagnetic metal, while ZSiGeNR with bare Si and Ge edges is a nonmagnetic metal.     

Mg_2Ge吸收系数和能量损失函数的第一性原理计算

应用密度泛函理论框架下的第一性原理超软赝势平面波方法系统地计算了Mg_2Ge基态的电子结构、电子态密度、弹性常数以及主要光电性质.计算结果表示Mg_2Ge是一种间接带隙半导体,禁带宽度为0.2136 eV;其价带主要由Ge的4s,4p态电子组成,导带则主要由Mg的3s,3p以及Ge的4p态电子组成;静态介电常数ε_1(0)=25.294;折射率n_0=4.5043;吸收系数最大峰值为396560.9 cm~(-1);通过计算弹性常数解释了Mg_2Ge的脆性;并分析了所计算的Mg_2Ge光电性质和其能带结构,为Mg_2Ge提供了在光电应用领域的理论依据和实验指导.     

压力对有机半导体均苯四甲酸晶体结构转变和电子性质的影响

研究高压条件下均苯四甲酸(C₁₀H₆O₈)材料的结构和性质对探索有机半导体材料的应用有积极意义.基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法，开展了0-300 GPa压强下C₁₀H₆O₈晶体的结构、电子和光学性质的研究.晶格常数在压强20 GPa和150 GPa下出现了明显跳变，且原子之间随着压强变化反复地出现成键/断键现象，表明压强可诱导晶体结构变化.电子结构的性质表明，0 GPa的C₁₀H₆O₈晶体是带隙为3.1 eV的直接带隙半导体，而压强增加到150 GPa时，带隙突变为0 eV,表明了晶体由半导体转变为导体.当压强为160 GPa时，晶体又变成了能隙约为1eV的间接带隙半导体，这可能是费米能级附近仅受O-2p轨道电子影响所导致.通过对C₁₀H₆O₈晶体介电函数的分析，再次验证了晶体在150 GPa时发生了结构相变.同时...     

二维缺陷GaAs电子结构和光学性质第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了存在Ga空位缺陷和掺杂B原子的二维GaAs的能带结构、态密度和光学性质.计算结果表明空位缺陷二维GaAs显示出金属特性,B原子的引入使体系变为间接带隙半导体,禁带宽度为0.35 eV.态密度计算发现体系低能带主要由Ga的s态、p态、d态和As的s态、p态构成;高能带主要由Ga和As的s态、p态构成.掺杂B原子与存在空位缺陷的二维GaAs相比,静态介电常数相对较低,变为8.42,且易于吸收紫外光,在3.90～8.63 eV能量范围具有金属反射特性,反射率达到52%.     

氧化石墨烯纳米带能带结构和态密度的第一性原理研究

基于密度泛函理论,采用第一性原理方法,计算了氧化石墨烯纳米带的电荷密度、能带结构和分波态密度。结果表明,石墨烯纳米带被氧化后,转变为间接带隙半导体,带隙值为0.375 e V。电荷差分密度表明,从C原子和H原子到O原子之间有电荷的转移。分波态密度显示,在导带和价带中C-2s、2p,O-2p,H-1s电子态之间存在强烈的杂化效应。在费米能级附近,O-2p态电子局域效应的贡献明显,对于改善氧化石墨烯纳米带的半导体发光效应起到了主要作用。