基于形变势理论的掺杂计算Sb2Se3空穴迁移率

硒化锑(Sb₂Se₃)是一种元素丰富、经济且无毒的太阳电池吸收层材料.太阳电池的性能在很大程度上取决于载流子的传输特性,然而在Sb₂Se₃中,这些特性尚未得到很好的理解.通过密度泛函理论和形变势理论,本文对纯Sb₂Se₃以及掺杂了As, Bi的Sb₂Se₃的空穴传输特性进行研究,计算并分析了影响迁移率的3个关键参数:有效质量、形变势和弹性常数.结果显示,有效质量对迁移率具有最大影响,掺杂Bi的Sb₂Se₃表现出最高的平均迁移率.同时发现, Sb₂Se₃的空穴迁移率呈现出明显的各向异性,其中x方向的迁移率远高于y,z方向,这应该与x方向的原子主要以较强的共价键连接,而y, z方向以较弱的范德瓦耳斯力连接有关.载流子传输能力强的方向有助于有效传输和收集光生载流子,本研究从理论上强调了控制Sb₂Se_3...     

Cd对纤锌矿ZnO极化特性的影响以及Zn0.75Cd0.25O/ZnO界面能带偏差的第一性原理研究

基于第一性原理GGA+U方法研究了Zn1-xCdxO合金的品格常数以及自发极化随Cd组分x的变化关系,其中极化特性的计算采用Berry-phase方法,同时计算了禁带宽度随Cd组分x的变化关系,并得到了能隙弯曲参数0.69.此外,通过计算宏观平均静电势的方法得到了(5 +3)Cd0.25Cd0.750/ZnO超晶格界面处的价带偏差为0.13 eV,导带偏差与价带偏差的比值为4/13,并且Zn1-xCdxO/ZnO界面两侧能带呈现Ⅰ型排列,这些研究结果将对Zn1-xCdxO/ZnO界面二维电子气的设计与优化起到重要作用.     

铝-金刚石界面电子特性与界面肖特基势垒的杂化密度泛函理论HSE06的研究

宽带隙半导体金刚石具有突出的电学与热学特性,近年来,基于金刚石的高频大功率器件受到广泛关注,对于金属-金刚石肖特基结而言,具有较高的击穿电压和较小的串联电阻,所以金属-金刚石这种金半结具有非常好的发展前景.本文通过第一性原理方法去研究金属铝-金刚石界面电子特性与肖特基势垒的高度.界面附近原子轨道的投影态密度的计算表明:金属诱导带隙态会在金刚石一侧产生,并且具有典型的局域化特征,同时可以发现电子电荷转移使得Fermi能级在金刚石一侧有所提升.电子电荷在界面的重新分布促使界面形成新的化学键,使得金属铝-氢化金刚石形成稳定的金半结.特别地,我们通过计算平均静电势的方法得到金属铝-氢化金刚石界面的势垒高度为1.03 eV,该值与金属诱导带隙态唯像模型计算的结果非常接近,也与实验值符合得很好.本文的研究可为金属-金刚石肖特基结二极管的研究奠定理论基础,也可为金刚石基金半结大功率器件的研究提供理论参考.     

金刚石(001)面在Cu多种覆盖度下的稳定构型与电子特性

金刚石表面的电子特性很容易受到其表面覆盖物的影响,而目前表面稳定、性能优良的表面覆盖层依然处于研究与寻找中。本文研究的过渡金属Cu不仅在半导体微加工中被广泛使用,更由于过渡金属Cu与金刚石都具有优异的散热性能,因此Cu覆盖金刚石已经超出寻常电极使用的意义,其金属-半导体结构更具有表面修饰剪裁电子特性的功能。文中通过使用密度泛函模拟方法,研究了Cu的不同覆盖度(0.25 ML、0.5 ML和1 ML)下金刚石(001)表面的单原子吸附能、稳定构型以及稳定体系的能带结构特性。结果表明,各种覆盖度下的Cu原子在金刚石(001)表面具有较稳定的表面吸附构型,并且过渡金属Cu的覆盖使得金刚石(001)表面产生了约为-0.5~-0.3 eV的负电子亲和势,肖特基势垒高度约为-0.16~0.04 eV,这些理论结果与实验结果基本一致。因此过渡金属Cu作为表面覆盖层在金刚石基电子发射器方面具有重要的应用价值。     

Band offset and electronic properties at semipolar plane Al N(1ī01)/diamond heterointerface

Tailoring the electronic states of the Al N/diamond interface is critical to the development of the next-generation semiconductor devices such as the deep-ultraviolet light-emitting diode, photodetector, and high-power high-frequency field-effect transistor. In this work, we investigate the electronic properties of the semipolar plane Al N(1ˉ101)/diamond heterointerfaces by using the first-principles method with regard to different terminated planes of Al N and surface structures of diamond(100) plane. A large number of gap states exist at semi-polar plane Al N(1ˉ101)/diamond heterointerface, which results from the N 2 p and C 2 s2 p orbital states. Besides, the charge transfer at the interface strongly depends on the surface termination of diamond, on which hydrogen suppresses the charge exchange at the interface. The band alignments of semi-polar plane Al N(1ˉ101)/diamond show a typical electronic character of the type-II staggered band configuration. The hydrogen-termination of diamond markedly increases the band offset with a maximum valence band offset of 2.0 e V and a conduction band offset of 1.3 e V for the semi-polar plane N–Al N(1ˉ101)/hydrogenated diamond surface. The unique band alignment of this Type-II staggered system with the higher CBO and VBO of the semi-polar Al N/HC(100) heterostructure provides an avenue to the development of robust high-power high-frequency power devices.     

非故意掺杂碳对ZnMnO:N磁性影响的实验与理论研究

利用金属有机源化学气相沉积技术, 通过改变受主掺杂源和导入氢气并提高生长压力来逐步抑制C的办法, 在蓝宝石上外延了Mn, N共掺ZnO薄膜. X射线衍射显示所有样品都具有良好的单轴取向. ZnMnO:N样品的Raman光谱中C元素相关的振动模明显消失. 同时van der Pauw法Hall效应测量表明, 通过逐步对C的抑制, 样品由n型导电转变成p型导电, 这主要是由于C与N形成复合体取代O位(CN)O, 具有最低形成能且充当浅施主. 对N, Mn共掺ZnO晶体的第一性原理模拟计算显示了N, Mn共掺ZnO的态密度在Fermi能级处存在较强的自旋极化, 表明N 2p电子与Mn 3d电子之间存在较强的p-d相互作用, 形成磁性束缚激子产生磁矩. 一旦引入C后, C, N形成复合体取代O位, 导致体系磁性减弱或者消失. 模拟计算结果与实验表征分析结果一致表明: 对于Mn, N共掺ZnO薄膜样品, 引入C与N形成复合体取代O位, Mn, N共掺ZnO薄膜磁性减弱或消失. 因此, Mn 3d电子与N 2p局域束缚的电子形成的磁性束缚激子决定了Mn, N共掺ZnO薄膜室温铁磁信号的产生.     

纤锌矿Zn1-xMgxO极化特性的第一性原理GGA +U方法研究

高迁移率的二维电子气在纤锌矿结构Zn1-xMgxO/ZnO异质结构中被发现,二维电子气的产生很可能是由于这两种材料界面上存在不连续性极化.本文基于第一性原理GGA+U方法研究了Zn1-xMgxO合金的自发极化随Mg组分x的变化关系,其中极化特性的计算采用Berry-phase方法.我们将极化分为3个部分:电子极化、晶格极化以及压电极化,结果表明压电极化在总极化中起着主要作用.     

Theoretical optoelectronic analysis of intermediate-band photovoltaic material based on ZnY1-xOx （Y = S,Se, Te） semiconductors by first-principles calculations

The structural, energetic, and electronic properties of lattice highly mismatched ZnY1-xOx （Y = S, Se, Te） ternary alloys with dilute O concentrations are calculated from first principles within the density functional theory. We demonstrate the formation of an isolated intermediate electronic band structure through diluted O-substitute in zinc-blende ZnY （Y = S, Se, Te） at octahedral sites in a semiconductor by the calculations of density of states （DOS）, leading to a significant absorption below the band gap of the parent semiconductor and an enhancement of the optical absorption in the whole energy range of the solar spectrum. It is found that the intermediate band states should be described as a result of the coupling between impurity O 2p states with the conduction band states. Moreover, the intermediate bands （IBs） in ZnTeO show high stabilization with the change of O concentration resulting from the largest electronegativity difference between O and Te compared with in the other ZnSO and ZnSeO.     

第一性原理的广义梯度近似+U方法的纤锌矿Zn1-xMgxO极化特性与Zn0.75Mg0.25O/ZnO 界面能带偏差研究

在纤锌矿结构Zn_1-xMg_xO/ZnO异质结构中发现了高迁移率的二维电子气(2DEG), 2DEG 的产生很可能是由于界面上存在不连续极化, 而且2DEG通常也被认为是由极化电荷产生的结果. 为了探索2DEG的形成机理及其产生的根源, 研究Zn_1-xMg_xO合金的极化特性与ZnO/Zn_1-xMg_xO超晶格的能带排列是非常必要的. 基于第一性原理广义梯度近似+U方法研究了Zn_1-xMg_xO合金的自发极化随Mg组分x的变化关系, 其中极化特性的计算采用Berry-phase方法. 由于ZnO与Zn_1-xMg_xO 面内晶格参数大小相当, ZnO 与Zn_1-xMg_xO 的界面匹配度优良, 所以ZnO/Zn_1-xMg_xO 超晶格模型较容易建立. 计算了Mg_0.25Zn_0.75O/ZnO超晶格静电势的面内平均及其沿着Z(0001)方向上的宏观平均. (5+3)Mg_0.25Zn_0.75O/ZnO超晶格拥有较大的尺寸, 确保远离界面的Mg_0.25Zn_0.75O与ZnO区域与块体计算情况一致. 除此之外, 基于宏观平均为能量参考, 计算得到Mg_0.25Zn_0.75O/ZnO超晶格界面处价带偏差为0.26 eV, 并且导带偏差与价带偏差的比值处于合理区间, 这与近来实验上报道的结果相符. 除了ZnO在[0001]方向上产生自发极化外, 由于在ZnO中引入Mg杂质会产生应变应力, 导致Mg_xZn_1-xO层产生额外的极化值. 这样必然会在Mg_0.25Zn_0.75O/Zn界面处产生非连续极化现象, 促使单极性电荷在界面处积累, 从而在Mg_0.25Zn_0.75O/Zn超晶格中产生内在电场. 此外, 计算了Mg_0.25Zn_0.75O/ZnO超晶格的能带排列, 由于价带偏差Δ E_V=0.26 eV与导带偏差ΔE_C=0.33 eV, 表明能带遵循I型排列. Mg_0.25Zn_0.75O/ZnO 的这种能带排列方式足以让电子与空穴在势阱中产生禁闭作用. 2DEG在电子学与光电子学领域都有重要应用, 本文的研究结果将对Mg_0.25Zn_0.75O/ZnO 界面2DEG的设计与优化中起到重要作用, 并且可以作为研究其他Mg组分的Mg_xZn_1-xO/ZnO超晶格界面电子气特性的参考依据.