直接带隙半导体In2(PS3)3单层结构与电子特性的第一性原理研究

高载流子迁移率和可调直接带隙是低维电子器件应用的两个关键特性.但目前发现的此类二维材料稀少.鉴于此在第一性原理计算的基础上,本文系统研究了In₂(PS₃)₃单层的稳定性、电子结构性质和机械性质.研究结果表明,In₂(PS₃)₃单层是具有直接带隙的半导体材料(1.58 eV).在-3%到3%应变下,In₂(PS₃)₃单层的带隙是可以调节的(1.3～1.8 eV).声子谱、分子动力学和弹性常数的计算结果表明,In₂(PS₃)₃单层是热力学、动力学和机械稳定的.此外,In₂(PS₃)₃单层的剥离能(0.21 J m^-2)小于石墨烯的剥离能(0.36 J m^-2),有望像石墨烯一样机械剥离得到.这些优异的的性能使得In     

低温下二硫化钼电子迁移率研究

二硫化钼(MoS₂)是已知的二维半导体材料中光电性能最优秀的材料之一. 单原子层厚的MoS₂是禁带宽度为1.8 eV 的二维直接带隙半导体材料, 可以用来发展新型的纳米电子器件和光电功能器件. 本论文利用玻尔兹曼平衡方程输运理论研究低温时MoS₂系统的电输运性质, 计算得到了MoS₂电子迁移率的解析表达式. 研究发现, 低温时MoS₂ 的迁移率与衬底材料的介电常数的平方成正比; 与系统的电子浓度对带电杂质的浓度的比率n_e/n_i 成线性关系. 因此, 选用介电常数高的衬底材料, 适当提高MoS₂系统的载流子浓度, 同时降低杂质的浓度, 可以有效提高MoS₂系统的迁移率. 研究结果为探索以MoS₂为基础的新型纳米光电器件的研究和实际应用提供了理论依据. 关键词： 二硫化钼 迁移率 电输运 平衡方程     

单层MoSe2单晶的光学及电学性能探究

采用Au箔作为生长衬底,通过化学气相沉积法制备了高质量的单层MoSe₂单晶.通过光学显微镜、扫描电子显微镜、扫描透射电子显微镜等对其形貌和结构进行了表征,研究了单层MoSe₂单晶的光学及电学特性.结果表明：单层MoSe₂具有非线性光学特性,并具有直接带隙结构(带隙宽度约为1.56 eV)及较好的光致发光特性.当其作为场效应晶体管器件的半导体沟道材料时,器件的载流子迁移率为1.6 cm²/(V·s),开关比约为10⁴.     

第一性原理研究单层Ge2X4S2(X=P,As)的热电性能

单层Ge₂X₄S₂(X=P, As)是最近预测的一种二维层状材料,它们不仅拥有高的光吸收系数,同时还有较高的载流子迁移率,这意味着它们在光电和热电领域可能有较好的应用前景.本文通过第一性原理和玻尔兹曼输运理论系统地研究了这两种材料的热电性质.结果表明,单层Ge₂P₄S₂和Ge₂As₄S₂在室温下展现较低的晶格热导率,沿armchair方向分别为3.93 W·m^-1·K^-1和3.19 W·m^-1·K^-1, zigzag方向分别为4.38 W·m^-1·K^-1和3.79 W·m^-1·K^-1,这主要是由低的声子群速度、大的格林艾森参数以及小的声子弛豫时间造成的.基于HSE06泛函计算出的能带结构表明单层Ge₂     

Te掺杂单层MoS2的电子结构与光电性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了Te掺杂对单层MoS₂能带结构、电子态密度和光电性质的影响。结果表明,本征单层MoS₂属于直接带隙半导体材料,其禁带宽度为1.64 eV。本征单层MoS₂的价带顶主要由S-3p态电子和Mo-4d态电子构成,而其导带底则主要由Mo-4d态电子和S-3p态电子共同决定;Te掺杂单层MoS₂为间接带隙半导体材料,其禁带宽度为1.47 eV。同时通过Te掺杂,使单层MoS₂的静态介电常数增大,禁带宽度变窄,吸收光谱产生红移,研究结果为单层MoS₂在光电器件方面的应用提供了理论基础。     

新型透明导电薄膜ErF3掺杂In2 O3的研制

利用电子束沉积技术首次制备了氟化铒 (ErF₃) 掺杂的氧化铟(In₂O₃)透明导电薄膜(IEFO),研究了薄膜的晶体结构、光学特性和电学特性。利用原子力显微镜测试了不同厚度薄膜的形貌,初步研究了薄膜的生长过程。研究发现:IEFO薄膜为多晶结构,Er原子的掺入改变了薄膜的优势生长方向,使薄膜在(211)、(222)、(444)3个方向上的生长趋势基本相同。 薄膜电阻率为1.265×10^-3 Ω·cm,电子迁移率为45.76 cm²·V^-1·s^-1,电子浓度为1.197×10²⁰ cm^-3,在380~780 nm范围内的可见光平均透过率为81%。     

吐昔烯衍生物分子的电荷传输性质

根据爱因斯坦方程和Marcus电荷传输模型, 使用密度泛函理论B3lyp/6-31g^**理论水平计算6 个吐昔烯衍生物分子的结构和电荷传输性质. 结果显示: 6个吐昔烯的衍生物分子的空穴迁移速率为0.018–0.062 cm²·V^-1·s^-1, 电子迁移率为0.055–0.070 cm²·V^-1·s^-1, 其中3, 8, 13-辛烷氧基吐昔烯衍生物分子适合作为双极性传输材料. 三条烷氧基链的吐昔烯衍生物分子上引入三个甲氧基或羟基, 均使空穴和电子传输率降低. 引入给电子基团或共轭性基团可减小吐昔烯衍生物分子的能隙, 达到有机半导体的能隙要求. 关键词： 吐昔烯衍生物 空穴传输 电子传输 有机半导体     

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.     

高压下制备的透明低阻n-ZnO陶瓷的表征

本文报道了高压烧结透明低阻ZnO陶瓷的过程,解决了常压下烧结ZnO高阻不透明的问题.在5 GPa,800℃下获得了最佳光电性能的低阻透明ZnO陶瓷,其透过率为49%左右,电阻率为0.57 Ω ·cm,禁带宽度为3.31 eV,载流子浓度为8.36×10¹⁷ cm^-3,迁移率为23 cm² ·V^-1 ·s^-1,良好的n型导电性来自于Zn_i和V_o关键词： 高压 陶瓷 n-ZnO 透明     

高压下BaHfO3电子结构与光学性质的第一性原理研究

从第一性原理出发,在局域密度近似下,采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势计算方法系统地研究了高压对BaHfO₃电子结构与光学性质的影响.能带结构分析表明;无压强和施加正压强作用时,BaHfO₃为直接带隙绝缘体,而施加负压强时,BaHfO₃则转变为间接带隙半导体;BaHfO₃的带隙随压强增加而减小,且具有明显的非线性关系.对光学性质的分析发现:施加正压强后,光学吸收带边产生蓝移;负压强作用时介电函数虚部尖峰减少,光学吸收带边产生红移;施加压强后BaHfO₃的静态介电常数和静态折射率均增大.上述研究表明施加高压有效调制了BaHfO₃的电子结构和光学性质,计算结果为BaHfO₃光电材料的设计与应用提供了理论依据.     

应力调控下二维硒化锗五种同分异构体的第一性原理研究

采用第一性原理计算方法,研究了二维单层硒化锗(GeSe)的5种同分异构体结构的稳定性和在应力调控下的电子性质变化规律.计算结果表明:5种同分异构体结构都具有热力学稳定性; a-GeSe是直接带隙半导体, b-GeSe, g-GeSe, d-GeSe和e-GeSe都是间接带隙半导体. a-GeSe在应力调控下出现了直接到间接带隙的转变和半导体到金属性质的转变. b-GeSe和g-GeSe在应力的作用下具有可调节的间接带隙范围.当沿dGeSe双轴方向施加压缩应力为1%和4%时, d-GeSe的能带从间接带隙转变成直接带隙.通过沿e-GeSe的扶手椅形方向施加10%的拉伸应变,出现了从间接带隙到直接带隙的转变;继续增加拉伸应变到20%,能带结构一直保持直接带隙的特征,其可调范围为1.21—1.44 eV.沿d-GeSe双轴方向施加10%拉伸应变时,也出现了从间接带隙到直接带隙的转变;该直接带隙在双轴拉伸应变增加到19%前一直保持,可调范围为0.61—1.19 eV.     

沟道层厚度对室温制备的In2O3薄膜晶体管器件性能的影响

在室温下采用直流磁控溅射以SiO₂/Si为衬底制备了不同沟道层厚度的底栅式In₂O₃薄膜晶体管,讨论了沟道层厚度对底栅In₂O₃薄膜晶体管的电学性能的影响。实验结果表明:器件的特性与沟道层厚度有关,最优沟道层厚度的In₂O₃薄膜晶体管为增强型,其阈值电压为2.5 V,开关电流比约为10⁶,场效应迁移率为6.2 cm²·V^-1·s^-1。     

AlN隔离层生长时间对AlGaN/AlN/GaN HEMT材料电学性能的影响

利用金属有机化学气相沉积（MOCVD）设备,在蓝宝石（0001）面上外延不同生长时间AlN隔离层的Al_xGa_1-xN/AlN/GaN结构的高电子迁移率的晶体管（HEMT）,研究了AlN隔离层厚度对HEMT材料电学性能的影响。研究发现采用脉冲法外延（PALE）技术生长AlN隔离层的时间为12 s（1 nm左右）时,HEMT材料的方块电阻最小,电子迁移率为1 500 cm²·V^-1·s^-1,二维电子气（2DEG）浓度为1.16×10¹³ cm^-2。AFM测试结果表明,一定厚度范围内的AlN隔离层并不会对材料的表面形貌产生重大的影响。HRXRD测试结果表明,AlGaN/AlN/GaN具有好的异质结界面。     

卤化硅烯结构、电子和光学性质的第一性原理研究

二维硅烯的商业用途通常受到其零带隙的抑制,限制了其在纳米电子和光电器件中的应用.利用基于密度泛函理论的第一性原理计算,单层硅烯的带隙通过卤原子的化学官能化被成功打开了,并综合分析了卤化对单层硅烯的结构,电子和光学性质的影响.研究结果表明卤化使结构变得扭曲,但保持了良好的稳定性.通过HSE06泛函,全功能化赋予硅烯1.390至2.123 eV的直接带隙.键合机理分析表明,卤原子与主体硅原子之间的键合主要是离子键.最后,光学性质计算表明,I-Si-I单层在光子频率为10.9 eV时达到最大光吸收,吸收值为122000 cm^-1,使其成为设计新型纳米电子和光电器件的有希望的候选材料.     

应变和电场对Ga2SeTe/In2Se3异质结电子结构和光学性质的影响

异质结构的构筑与堆垛是新型二维材料物性调控及应用的有效策略.基于密度泛函理论的第一性原理计算,本文研究了4种不同堆叠构型的新型二维Janus Ga₂SeTe/In₂Se₃范德瓦耳斯异质结的电子结构和光学性质. 4种异质结构型均为Ⅱ型能带结构的间接带隙半导体,光致电子的供体和受体材料由二维In₂Se₃的极化方向决定.光吸收度在可见光区域高达25%,有利于太阳可见光的有效利用.双轴应变可诱导直接-间接带隙转变,外加电场能有效调控异质结构带隙,使AA2叠加构型的带隙从0.195 eV单调增大到0.714 eV,AB2叠加构型的带隙从0.859 eV单调减小到0.058 eV,两种调控作用下异质结的能带始终保持Ⅱ型结构.压缩应变作用下的异质结在波长较短的可见光区域表现出更优异的光吸收能力.这些研究结果揭示了Janus Ga₂SeTe/In₂Se₃范德瓦耳斯异质结电子结构的调控机理,为新型光电器件的设计提供理论指导.     

氧化硅层厚度对Si/SiO2界面电子态结构与光学性质的影响

在氧化硅上生长纳米硅晶,保持氧化硅的直接带隙结构,降低其能带带隙,以用于发光和光伏。采用基于密度泛函理论的第一性原理研究了块体α-方石英、薄膜α-方石英、Si/SiO₂界面的电子态结构和Si/SiO₂界面的光学性质。结果显示,其均为直接带隙半导体,当薄膜α-方石英厚度和Si/SiO₂界面氧化硅层厚度逐渐减小时,能带带隙均逐渐变大,表现出明显的量子限制效应。光学性质计算结果表明：Si/SiO₂界面虚部介电峰和吸收峰的峰值随氧化硅层厚度降低而显著升高,且峰位向高能量方向蓝移。使用脉冲激光沉积制备了氧化硅上硅晶薄膜,测量了Si/SiO₂界面样品的PL光谱,在670 nm处存在一个强的发光峰,在波长超过830 nm后,Si/SiO₂界面样品的发光强度不断升高。因此,可以通过控制Si/SiO₂界面氧化硅层厚度有效地调控Si/SiO₂界面的电子态结构和光学性质,引进边缘电子态,调控其带隙进入1～2 eV区间,获取硅基发光材料...     

V2O5电极修饰对C60/Pentacene双层异质结场效应晶体管性能的影响

制备了用过渡金属氧化物V₂O₅修饰Al源、漏电极的C₆₀/Pentacene双层异质结有机场效应管.该构型器件与未修饰器件相比,呈现出典型的双极型晶体管传输特性.电子迁移率和空穴迁移率分别达到8.6×10^-2cm²/V·s^-1和6.4×10^-2cm²/V·s^-1,阈值电压分别为25 V和-25 V.器件性能改善的原因主要是由于插入V₂O₅修饰层后,可以明显降低Al电极与Pentacene之间的接触势垒,提高空穴的有效注入,从而使电子和空穴的注入接近平衡.研究表明,采用V₂O₅修饰电极方法,是制备低成本、高性能的双极型有机场效应管并实现其商业应用的有效途径.     

基于聚(4-乙烯基苯酚)衬底修饰层喷墨打印的小分子有机半导体薄膜制备和表征

采用旋涂法预先在SiO₂衬底表面形成一层聚（4-乙烯基苯酚）（PVP）作为表面修饰层,以喷墨打印的6,13-双（三异丙基甲硅烷基乙炔基）并五苯（TIPS并五苯）作为有源层制作有机薄膜晶体管,有效改善了有机半导体薄膜的形貌。采用真空热蒸镀工艺制备源漏电极,形成底栅顶接触结构的有机薄膜晶体管（OTFT）器件。作为对比,在未经过表面修饰的SiO₂衬底上采用相同条件打印TIPS并五苯薄膜晶体管,发现在经过PVP修饰的SiO₂衬底上打印的单点厚度更均匀,咖啡环效应被抑制或被消除;而通过多点交叠打印形成的矩形薄膜的晶粒尺寸更大,相应的OTFT器件具有更高的场效应迁移率。在有PVP修饰层的衬底上制作的OTFT,器件在饱和区的平均场效应迁移率达到了0.065 cm²·V^-1·s^-1;而直接在SiO₂衬底上制作的器件,相应的平均场效应迁移率仅为0.02 cm²·V^-1·s^-1。     

N2O Plasma表面处理对SiNx基IGZO-TFT性能的影响

采用N₂O plasma处理SiN_x薄膜作为绝缘层,以室温下沉积的铟镓锌氧化物(IGZO)作为有源层制备了 IGZO薄膜晶体管。与常规的IGZO-TFT相比,N₂O plasma处理过的IGZO-TFT的迁移率由原来的4.5 cm²·V^-1·s^-1增 加至8.1 cm²·V^-1·s^-1,阈值电压由原来的11.5 V减小至3.2 V,亚阈值摆由原来的1.25 V/decade减小至0.9 V/decade。采用C-V方法计算了两种器件的陷阱态,结果发现N₂O plasma处理过的IGZO-TFT的陷阱态明显小于普通的IGZO-TFT的陷阱态,表明N₂O plasma处理SiN_x绝缘层是一种改善IGZO-TFT器件性能的有效方法。     

超薄EuF3电极修饰层对有机场效应晶体管性能的提升

采用EuF₃薄层修饰低功函数金属Ag源、漏电极,制备了CuPc有机场效应晶体管,研究了不同厚度EuF₃对器件性能的影响。结果表明,EuF₃的厚度由0 nm增至0.6 nm时,接触电阻由23.65×10⁵ Ω·cm减 至3.86×10⁵ Ω·cm,使得器件载流子迁移率由1.5×10^-3 cm²·V^-1·s^-1提高到4.65×10^-3 cm²·V^-1·s^-1。 UPS测试结果表明,薄层EuF₃在Ag与有机半导体间形成了界面偶极势垒,使源漏电极表面功函数增大,空穴注入势垒降低,Ag电极与有机半导体层界面的接触电阻减小,进而提升了空穴的注入效率。