第一性原理研究[111]晶向硅纳米线电子结构,光学性质与压阻特性的应变效应

基于密度泛函理论体系下的广义梯度近似(GGA),利用第一性原理方法计算研究了单轴应变对[111]晶向硅纳米线的电子结构、光学性质以及压阻性质的影响.能带结构和光学性质的结果表明:压应变导致硅纳米线的带隙明显线性减小,且使其由直隙半导体转变为间隙半导体,而施加拉应变后硅纳米线仍为直隙半导体材料,但是带隙略有减小,且价带顶附近的能带线产生了较为复杂的变化.由于能带的应变效应导致其光学性质也相应发生了较大改变:拉应变使硅纳米线的介电峰出现宽化现象,低能区内的光吸收增强,静态折射率和反射率峰值增大,而压应变的效果则相反.结合能带结构与压阻系数计算模型得到的压阻特性结果表明:随着压应变的增加压阻系数单调减小,这主要归因于空穴浓度随压应变显著变化引起的;而拉应变作用时,压阻系数呈现波动趋势,这主要是由于空穴有效传输质量的增加程度和载流子浓度的增加程度不同而相互竞争导致的.上述计算结果表明,设计基于硅纳米线的光电和力电器件时,需考虑其应变效应.     

p型多晶硅薄膜应变因子与掺杂浓度关系理论研究

多晶硅薄膜具有良好的压阻特性,晶粒结构和掺杂浓度决定其压阻特性.一般通过调节掺杂浓度改变压阻参数,但现有的多晶硅薄膜压阻系数与掺杂浓度的理论关系和适用范围不够全面.为了完善多晶硅薄膜压阻理论,基于多晶硅纳米薄膜隧道压阻模型,以及硅价带和空穴电导质量随应力改变的机理,提出了一种p型多晶硅薄膜压阻系数算法.该算法分别求取了晶粒中性区和复合晶界区的压阻系数π_(11),π_(12)和π_(44)的理论公式,据此可以计算任意择优晶向排列多晶硅的纵向和横向压阻系数.根据材料的结构特性,求取了p型多晶硅纳米薄膜和普通多晶硅薄膜应变因子,绘制了应变因子与掺杂浓度的关系曲线,与测试结果比较,具有较好的一致性.因此,该算法全面和准确,对多晶硅薄膜的压阻特性的改进和应用具有重要意义.     

第一性原理研究[111]晶向硅纳米线电子结构，光学性质与压阻特性的应变效应

基于密度泛函理论体系下的广义梯度近似（GGA），利用第一性原理方法计算研究了单轴应变对[111]晶向硅纳米线的电子结构、光学性质以及压阻性质的影响．能带结构和光学性质的结果表明：压应变导致硅纳米线的带隙明显线性减小，且使其由直隙半导体转变为间隙半导体，而施加拉应变后硅纳米线仍为直隙半导体材料，但是带隙略有减小，且价带顶附近的能带线产生了较为复杂的变化．由于能带的应变效应导致其光学性质也相应发生了较大改变：拉应变使硅纳米线的介电峰出现宽化现象，低能区内的光吸收增强，静态折射率和反射率峰值增大，而压应变的效果则相反．结合能带结构与压阻系数计算模型得到的压阻特性结果表明：随着压应变的增加压阻系数单调减小，这主要归因于空穴浓度随压应变显著变化引起的；而拉应变作用时，压阻系数呈现波动趋势，这主要是由于空穴有效传输质量的增加程度和载流子浓度的增加程度不同而相互竞争导致的．上述计算结果表明，设计基于硅纳米线的光电和力电器件时，需考虑其应变效应．     

冲击波中横向、纵向应力计响应初步研究

 采用低阻值锰铜压阻应力计，通过一维平板撞击实验和理论分析对横向、纵向应力计在有机玻璃和陶瓷材料中的不同响应进行了研究。实验结果表明，在陶瓷等硬质材料中进行横向应力测量时，可用康铜计补偿的方法，直接用锰铜计纵向标定的压阻系数计算，而在有机玻璃中却不能简单地得到横向应力。     

铁磁多层膜中的力致磁电阻效应

通过研究外应力场下铁磁多层膜系统中的自旋结构,讨论了系统磁电阻对外应力的依赖关系.结果表明,外应力能够诱发磁电阻效应,且其磁电阻紧密依赖于外应力的大小和方向.一般地对铁磁性层间耦合,其磁电阻与外应力之间的关系紧密地依赖于两铁磁层的磁致伸缩系数以及磁晶各向异性之差异.具体地,大小一定的外应力由磁易轴向磁难轴旋转的过程中,磁电阻先缓慢增大后急剧减小,在磁难轴附近变化较敏锐,并出现峰值.外应力方向一定时,磁电阻随应力的增大先敏锐增强后缓慢减小,且应力方向偏离磁易轴越远,变化趋势越显著.特别地,当外应力完全垂直于磁易轴时,应力大小的变化会引起磁电阻翻倍.而外应力场介于8πM/5≤H_λ≤18πM/5时,磁电阻会随应力的旋转单调上升,并在磁难轴附近急剧增强,产生GMR效应;对反铁磁性层间耦合,其GMR效应对应力大小和方向的响应近似地相反于铁磁性层间耦合情形. 关键词： 铁磁/非磁/铁磁三层膜 自旋结构 磁电阻 应力场     

无缝钢轨中温度对应力非线性超声检测的影响

研究了温度与应力共同作用下的非线性超声响应规律。构建了纵波在无缝钢轨内传播的数学模型,将传统原子间势能引入非线性波动方程,得到了无缝钢轨在自由状态及受约束状态两种情况下超声非线性系数随温度变化的函数关系。在理论分析的基础上,进行了无缝钢轨受约束时内部温度应力变化的实物模拟实验,获得的非线性系数变化趋势与理论预期相一致。研究结果表明:温度和应力都对固体介质非线性影响明显,介质非线性系数随着温度的升高而增大,随着内部压应力的增加而减小。因此,当利用非线性系数检测钢轨纵向应力时,需要对温度的影响进行补偿。      

非简并p型Hg1-xMnxTe单晶(x>0.17)的负磁电阻机理研究

研究磁性半导体中负磁电阻产生机理对正确理解载流子与磁性离子间的sp-d磁交换作用 是非常重要的.通过变温(10---300 K)磁输运和变温(5---300 K)磁化率实验研究了一系列不同Mn含量 非简并p型Hg_1-xMn_xTe单晶(x>0.17)的负磁电阻和顺磁增强效应. 实验结果表明其负磁电阻与温度的关系和磁化率与温度的关系基本一致, 两者都包含一个呈指数型变化的温度函数exp(-K/T).根据磁性半导体的杂质能级理论, 非简并p型Hg_1-xMn_xTe单晶在低磁场范围内出现负磁电阻效应的主要物理机理 为外磁场的磁化效应使得受主杂质或受主型束缚磁极化子的有效电离能减小.     

超声双折射法测试铝合金的内部应力

声各向同性的金属材料在应力作用下表现出声各向异性,这是用声弹性法分析材料内部应力的基础。本文用偏振方向平行或垂直于应力方向的超声纯横波对LY11型铝合金进行测试。实验结果表明:材料在拉、压单轴应力作用下,偏振方向平行和垂直于应力方向的超声纯横波的声速都发生了变化。实验在分析材料声各向异性的基础上计算材料声弹性双折射系数,得到测试LY11型铝合金内部应力的理论公式,并对其内部的残余应力进行评估。实验中利用双换能器回振法测量声速,时间测试精确度可达10^-11s,可精确测量声速的微小变化量。     

非磁性半导体异常磁电阻效应的有效介质理论

有效介质理论自洽方程被用来研究非磁性半导体材料的异常磁电阻效应. 通过建立两组分无序电导网络,同时引入组分的霍尔效应,计算了体系的有效电导张量随磁场和组分浓度的变化关系.结果表明,当两种组分具有不同类型的载流子时,体系中各组分零场电阻的差异将导致在垂直磁场和平行磁场方向上产生异常的磁电阻效应.这些宏观的磁电阻效应来源于体系中的非均匀性,并与组分的几何逾渗结构具有明显的关联. 关键词： 异常磁电阻效应 非磁性半导体 有效介质近似     

海陆过渡相煤系页岩的渗流特征

利用脉冲衰减渗透率仪,测试了海陆过渡相煤系页岩在储层条件、不同应力状态下的渗透率,得到了渗透率随有效应力的演化规律,对比分析煤系页岩和美国Wilcox页岩的渗透率。结果表明:当围压为常数(17MPa),有效应力从12.5MPa降至2.0MPa时,煤系页岩的渗透率范围为2.9×10-19~5.7×10-18 m2,比Wilcox页岩的渗透率高2~3个数量级。根据外部围压pc和内部孔隙压力pp定义有效应力σe=pc-χpp,有效应力系数χ约为1。渗透率试验数据的拟合结果显示,煤系页岩和Wilcox页岩的渗透率随有效应力、围压(常孔隙压力)和孔隙压力(常围压)按指数函数变化。     

非简并p型Hgi-xMnxTe单晶（z〉0.17）的负磁电阻机理研究

研究磁性半导体中负磁电阻产生机理对正确理解载流子与磁性离子间的sp．d磁交换作用是非常重要的．通过变温（10-300K）磁输运和变温（5-300K）磁化率实验研究了一系列不同Mn含量非简并P型Hgl-xMn。Te单晶佃〉0．17）的负磁电阻和顺磁增强效应．实验结果表明其负磁电阻与温度的关系和磁化率与温度的关系基本一致,两者都包含一个呈指数型变化的温度函数exp（-K／T）．根据磁性半导体的杂质能级理论,非简并P型H譬1-xMnxTe单晶在低磁场范围内出现负磁电阻效应的主要物理机理为外磁场的磁化效应使得受主杂质或受主型束缚磁极化子的有效电离能减小．     

Tb0.3Dy0.7Fe2单晶中巨磁致伸缩的逆效应

研究了Terfenol-D材料中巨磁致伸缩的逆效应,即磁机械效应.基于Stoner-Wohlfarth(SW)模型,考虑磁晶各向异性和应力各向异性能,依据自由能极小原理,获得了退磁态下Terfenol-D单晶中磁化强度方向和压应力的关系.采用数值方法求解了平衡条件下的非线性方程组.理论结果表明,Terfenol-D巨磁致伸缩单晶中的磁各向异性取决于磁晶各向异性和应力各向异性之间的竞争.在压应力的作用下,Terfenol-D单晶中的磁各向异性由立方向单轴转变.理论和实验结果的比较表明,存在一个临界压应力,使磁致伸缩效应达到极大值.该理论结果还解释了压应力使得Terfenol-D单晶材料难于磁化和磁致伸缩效应出现极大值的实验事实.理论计算不仅为研究这类问题提供了一个更准确的方法,而且其结果也有助于理解类似材料中的磁化过程.     

Tb0.3Dy0.7Fe2单晶中巨磁致伸缩的逆效应

研究了Terfenol-D材料中巨磁致伸缩的逆效应,即磁机械效应.基于Stoner-Wohlfarth(SW)模型,考虑磁晶各向异性和应力各向异性能,依据自由能极小原理,获得了退磁态下Terfenol-D单晶中磁化强度方向和压应力的关系.采用数值方法求解了平衡条件下的非线性方程组.理论结果表明,Terfenol-D巨磁致伸缩单晶中的磁各向异性取决于磁晶各向异性和应力各向异性之间的竞争.在压应力的作用下,Terfenol-D单晶中的磁各向异性由立方向单轴转变.理论和实验结果的比较表明,存在一个临界压应力,使磁致伸缩效应达到极大值.该理论结果还解释了压应力使得Terfenol-D单晶材料难于磁化和磁致伸缩效应出现极大值的实验事实.理论计算不仅为研究这类问题提供了一个更准确的方法,而且其结果也有助于理解类似材料中的磁化过程. 关键词： Terfenol-D 磁机械效应 巨磁致伸缩效应 磁各向异性     

金属氧化物半导体场效应管热载流子退化的1/fγ噪声相关性研究

研究了金属氧化物半导体(MOS)器件在高、中、低三种栅压应力下的热载流子退化效应及其1/fγ噪声特性.基于Si/SiO2界面缺陷氧化层陷阱和界面陷阱的形成理论,结合MOS器件1/f噪声产生机制,并用双声子发射模型模拟了栅氧化层缺陷波函数与器件沟道自由载流子波函数及其相互作用产生能级跃迁、交换载流子的具体过程.建立了热载流子效应、材料缺陷与电参量、噪声之间的统一物理模型.还提出了用噪声参数Sfγ表征高、中、低三种栅应力下金属氧化物半导体场效应管抗热载流子损伤能力的方法.根据热载流子对噪声影响的物理机制设计了实验并验证这个模型.实验结果与模型符合良好.     

半导体量子阱中激子波函数及其 Fourier系数的计算和应用

利用准玻色子方法发展的激子动力学方程是研究半导体纳米结构中激子超快动力学的有效理论手段. 为了将这种方法应用于半导体量子阱, 需要知道量子阱中的激子波函数及其在动量空间的表示, 从而得到激子动力学方程中所必须的系数. 详细讨论了理想和实际量子阱中的激子波函数, 特别是其在动量空间的表示, 并进一步讨论了激子动力学方程中所必须系数的计算方法. 通过求解这些系数, 对量子阱中因激子密度变化而引起的太赫兹脉冲作用下激子能级间跃迁过程中的非线性效应进行了理论预测, 得到了与实验符合很好的结果.     

多壁碳纳米管薄膜的压阻效应研究

对多壁碳纳米管薄膜的压阻效应进行了研究. 实验所用的多壁碳纳米管用热灯丝化学气相沉积法合成, 压阻效应用三点弯曲法测量. 研究发现: 在室温下与500微应变内, 原始的多壁碳纳米管薄膜无明显压阻效应, 而经化学修饰处理的碳纳米管膜的压阻因子最高可达120左右, 大大超过多晶硅(Si)在35°C时的压阻因子30, 并且压阻因子与制备方法密切相关. 重点讨论了多壁碳纳米管薄膜产生压阻效应的机制.     

(La1-xYx)2/3Ca1/3MnO3(x=0.195)系统中的磁电阻行为

本文实验上探讨了 (La1-xYx)2/3Ca1/3MnO3(x=0.195)窄带系统不同磁场下的磁电阻行为.实验表明,最大磁电阻效应随磁场增加而实质性提高,例如,7T磁场下最大磁电阻效应高达1.8×105%.同时,我们在远远低于半导体-金属转变温度下也观察到明显的磁电阻效应.文中就磁电阻的起因进行了讨论,特别是基于最近提出的自旋-极化子模型,对实验数据进行了定量的比较性分析,结果表明,该模型虽能预言实验的主要特征,但理论预言随磁场增加而明显偏离实验.     

热固化剂浓度对SiCN陶瓷压阻效应的影响

采用聚合物前驱体热解法制备四种加入不同热固化剂浓度的SiCN陶瓷并研究了它们的压阻效应.研究发现,热固化剂浓度对材料的电导率和压阻效应都有很大影响,只有加入适量浓度的热固化剂才会使SiCN陶瓷具有高的电导率和明显的压阻效应.借助拉曼光谱获得了材料中碳团簇的信息,进而用渗流-遂穿导电模型解释了材料的压阻行为,SiCN陶瓷的压阻特性由材料中自由碳团簇的含量和分布决定,而碳团簇的形成则由热固化剂浓度决定. 关键词： SiCN 压阻效应 热固化剂     

半导体物理效应及其应用讲座第四讲光吸收跃迁效应与半导体红外探测器的应用发展

光吸收跃迁效应是半导体光电探测器的基本物理过程.文章主要介绍光吸收跃迁效应在窄禁带半导体红外探测器应用方面的研究进展.讨论窄禁带半导体带间光吸收跃迁的理论和实验.文章还介绍了本征光吸收系数的表达式及其在材料表征和确定器件截止波长方面的应用,以及它在解释近年来发现的HgCdTe光电二极管电致负荧光现象方面的应用.     

功率MOSFET的负偏置温度不稳定性效应中的平衡现象

通过对功率金属氧化物半导体场效应晶体管在静态应力下的负偏置温度不稳定性的实验研究, 发现器件参数的退化随时间的关系遵循反应扩散模型所描述的幂函数关系, 并且在不同栅压应力下, 实验结果中均可观察到平台阶段的出现. 基于反应扩散理论的模型进行了仿真研究, 通过仿真结果分析和验证了此平台阶段对应于反应平衡阶段, 并且解释了栅压应力导致平台阶段持续时间不同的原因. 关键词： 功率金属氧化物半导体场效应晶体管 负偏置温度不稳定性 反应扩散模型