Ge在Si(100)-2×1表面化学吸附的第一性原理研究

应用密度泛函理论,构造了具有非对称二聚体结构的Si(100)-2×1重构表面,在系统研究了其表面结构及特性的基础上,计算了Ge在不同吸附位置的表面吸附能,以及吸附前后的表面投影态密度.计算结果表明:Ge原子在基位(pedestal)吸附最稳定.另外,在吸附Ge原子之后,我们得到了一个具有完整对称性的特殊Si原子二聚体结构.此结构中相邻的两个二聚体链互相平行且分别与Si表面平行,每对二聚体Si原子呈对称分布.     

氧化硅中纳米晶硅薄膜的低温沉积及其键合特性研究

以Ar和H2为溅射气体,采用Si和SiO2双靶活性溅射技术实现了镶嵌纳米晶硅(nc-Si)的富硅氧化硅(SiOx)薄膜的300℃低温生长,并分析了氢气掺入对薄膜微观结构及键合特性的影响.结果表明,氢气流量比的增加导致纳米硅粒子尺寸增加,而生长速率逐渐减小.薄膜中Si-O键合结构以Si(O4)键为主,随H2流量比的增加,Si-O4-nSin(n=0,1)键密度减小,Si-O4-nSin(n=2,3)和SiH2键密度持续增加,而所对应Si-H键密度呈现先减小后增加趋势,该结果可解释为等离子体内氢原子对反应前驱物中氧的去除效应增强和氢原子与表面氧的解吸附反应几率的增加.     

单粒子在金刚石(001)表面吸附与迁移的第一性原理计算

为了探究纳米金刚石复合薄膜中界面相粒子的微观行为,采用第一性原理方法计算了碳、硅单粒子在清洁金刚石(001)表面的吸附作用与迁移行为.包括C、Si粒子在金刚石(001)面四个高对称位置的构型总能和吸附能以及其在金刚石(001)表面的迁移激活能.结果表明:最稳定的构型是沿(001)生长方向沉积粒子与表面层两粒子相接,且C、Si粒子迁移激活能分别为2.824 eV、0.475 eV.两激活能的差异表明:添加Si能显著促进碳粒子的扩散并形成更加致密的纳米金刚石复合薄膜.     

不同衬底表面上大晶粒多晶Si薄膜的制备

利用高频感应加热化学气相沉积(HFCVD)工艺,以H2稀释的SiH4作为反应气体源,分别在n-(111)Si衬底上常规热生长的SiO2层、织构的SiO2层和纳米晶粒多晶Si薄膜表面上,制备了具有均匀分布的大晶粒多晶Si膜.采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)等检测手段,测量和分析了沉积膜层的表面形貌、晶粒尺寸、密度分布与择优取向等结构特征.结果表明,多晶Si膜中Si晶粒的尺寸大小和密度分布不仅与衬底温度、SiH4浓度与反应气压等工艺参数有关,而且强烈依赖于衬底的表面状态.本实验获得的最好的薄膜中,Si晶粒平均尺寸约为2.3 μm,密度分布约为3.8×107/cm2.对薄膜的沉积机理分析表明,衬底表面上Si原子基团的吸附、迁移、成核与融合等热力学过程支配着大晶粒多晶Si膜的生长.     

纳米晶粒多晶Si薄膜的低压化学气相沉积

利用低压化学气相沉积(LPCVD)方法,以充Ar的SiH4作为反应气体源,在覆盖有热生长SiO2层的p-(100)Si衬底上制备了具有均匀分布的纳米晶粒多晶Si膜(nc-poly-Si).采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和拉曼谱等检测手段,测量和分析了沉积膜层的表面形貌、晶粒尺寸与密度分布等结构特征.结果表明,nc-poly-v膜中Si晶粒的尺寸大小和密度分布强烈依赖于衬底温度、SiH4浓度与反应气压等工艺参数.典型实验条件下生长的Si纳米晶粒形状为半球状,晶粒尺寸约为40nm,密度分布约为4.0×1010cm-2和膜层厚度约为200nm.膜层的沉积机理分析指出,衬底表面上Si原子基团的吸附、迁移、成核与融合等热力学过程支配着nc-poly-Si膜的生长.     

S吸附对SiC表面不同重构结构的影响

SiC表面重构的发生会引起表面态密度增加,极大地影响SiC功率器件的性能.本文对4H/6H-SiC(0001)-Si端的(3×3)R30°和(3×3)重构结构及3C-SiC(0001)-Si端的(3×2)和(2×1)重构结构分别进行了S原子的吸附研究.结果表明:吸附S原子可以打开表面重构键,不同重构结构均有向体结构恢复的趋势.(3×3)R30°和(3×3)重构的最佳吸附率分别是1/2ML和1/3ML,S吸附对(3×3)R30°重构的作用更大.(3×2)重构表面在1/6ML下的H3位吸附、(2×1)重构表面在1/2ML下的B位吸附时吸附能最低.S钝化后,3C-SiC比4H/6H-SiC体系表面吸附能小,更稳定,重构结构恢复更理想.     

Si(100)表面吸附Sr的建模与第一性原理计算

为了研究Sr在Si(100)表面的稳定吸附结构和吸附特性,采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法,通过改变Sr在Si(100)表面的覆盖度和吸附位置,计算了Si(100)表面吸附Sr的吸附能、电子态密度、电子布居、电荷密度和差分电荷密度.计算结果表明,三种吸附位置中,空位的吸附能最低,Sr与Si(100)表面的作用力最大,结构最稳定;覆盖度越低,吸附能越小,Sr与Si(100)表面的作用力越大,吸附结构越稳定.Sr、Si原子间的作用力主要由Sr的3d轨道电子和Si的3s、3p轨道电子杂化耦合作用(d-sp3杂化)贡献,包括共价键和离子键.共价键和离子键的强度均随覆盖度增大而减弱,这可能是由于Sr与Sr之间的排斥力减弱了Sr与Si之间的作用力,并且这种排斥力随覆盖度增大而增大.     

MOVPE生长GaN薄膜的表面吸附和扩散研究

利用量子化学计算方法,对MOVPE生长GaN薄膜的表面反应进行研究.特别针对反应前体GaCH3(简称MMG)在理想、H覆盖和NH2覆盖GaN(0001)面的吸附和扩散进行计算分析.通过建立3×3 超晶胞模型,优化计算了MMG在三种不同覆盖表面的稳定吸附位、吸附能和电子布居,搜寻了MMG在稳定吸附位之间的扩散能垒.计算结果表明:对于三种表面,MMG的稳定吸附位均为T4位和H3位,H3位比T4位略微稳定.MMG在NH2覆盖表面吸附能最大,在H覆盖表面吸附能最小,在理想表面吸附能居中.MMG中的Ga与不同的表面原子形成的化学键的键强的大小顺序为:Ga-N>Ga-Ga>Ga-H.相比于理想表面和H覆盖表面,MMG在NH2覆盖表面的扩散能垒最大,因此表面过量的NH2会抑制MMG的扩散.     

Si(100)表面S钝化效果与稳定性研究

基于Valence-Mending概念对Si(100)表面进行S钝化研究.对于Ni/n-Si肖特基接触,S钝化使其肖特基势垒高度向其理想势垒高度靠近了0.09 eV;对于Al/p-Si肖特基接触,S钝化使其肖特基势垒高度向其理想势垒高度靠近了0.08 eV.少子寿命测试结果表明S钝化使Si(100)表面少子寿命提高大约1个数量级;热稳定性实验结果表明560℃时S钝化效果退化;XPS测试结果表明S离子化学吸附在Si表面并形成Si-S键,样品在空气中放置一段时间后表面Si-S键被氧化,表明S钝化抗氧化性不强.     

AlN的MOCVD生长中表面吸附的量子化学研究

利用量子化学的密度泛函理论(DFT),对AlN的MOCVD生长中表面反应前体MMAl、DMAlNH2分别在理想、NH2覆盖AlN (0001)-Al面的吸附进行研究.通过分析表面吸附位、吸附能、分波态密度图等,确定可能的稳定吸附结构和吸附倾向.研究发现:在理想和NH2覆盖的AlN(0001)-Al面,MMAl吸附在T4位和H3位,吸附概率相近,MMAl与表面形成3个Al-Al8键(理想AlN表面)或3个Al-N8键(NH2覆盖的AlN表面).在理想AlN表面,DMAlNH2吸附在Top-Top位,与表面形成N-Al8键和Al-Al8键;在NH2覆盖的AlN表面,DMAlNH2吸附在Top位,与表面形成Al-N8键.对比两种粒子在理想和NH2覆盖表面的吸附能,发现在理想表面DMAlNH2的吸附能大于MMAl,即DMAlNH2优先吸附;在NH2覆盖表面,MMAl的吸附能明显大于DMAlNH2,即MMAl优先吸附.     

WO3（001）极性表面及氢吸附特性的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对WO3 (001)的极性表面及其氢吸附特性进行了理论计算.通过对比WO表面和纯氧表面的表面化学势研究了两个极性表面的热力学稳定性,并分别计算了表面的几何结构和电子结构.结果表明:在贫氧环境中WO表面比较稳定,而在富氧环境中纯氧表面更稳定,WO表面和纯氧表面分别呈现n型半导体和p型半导体特性,表面原子通过调整W-O键长和键角实现表面弛豫.氢原子在两个极性表面不同吸附位置的计算表明:对WO表面和纯氧表面,W5c位和O1c位分别是稳定的吸附位置,且两者具有不同的反应特性.     

衬底温度对氢化非晶硅薄膜特性的影响

采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)系统,以乙硅烷和氢气为气源,石英玻璃和单晶硅片为衬底制备了氢化非晶硅(a-Si∶ H)薄膜.采用扫描电子显微镜、X-射线衍射仪、台阶仪、紫外可见分光光度计、傅里叶变换红外光谱仪和电子能谱仪等分别表征了a-Si∶H薄膜的表面形貌、结晶特性、沉积速率,光学带隙,键合结构和Si化合态等特性.结果表明:随着衬底温度的增加,a-Si∶H薄膜表面的颗粒尺寸减小,均匀性增加,沉积速率则逐渐降低;衬底温度从80℃增加到130℃时,光学带隙显著增加,而在130℃至230℃范围内,光学带隙基本不随衬底温度变化;以SiH键对应的伸缩振动的相对峰强度逐渐增加,而以SiH2或(SiH2)n键对应的伸缩振动的相对强度逐渐减小;a-Si∶H薄膜中Si0+态的相对含量增加.因此,衬底温度大于130℃有利于制备优质a-Si∶H薄膜,230℃是沉积a-Si∶H薄膜的最佳衬底温度.     

六方Fe2Ge合金块体及其(001)表面电子结构和磁性的第一性原理

采用基于密度泛函理论第一性原理的赝势平面波方法,计算了块体Fe₂Ge及其(001)表面的电子结构和磁性。考虑了两种类型的终端(001)表面:Ge(Ⅰ)-(001)表面和Ge(Ⅱ)-(001)表面。电子结构方面,不同类型的Fe₂Ge(001)表面都表现出金属特性,这与块体的金属性保持一致。通过计算它们的自旋极化率,得出Ge(Ⅰ)-(001)表面的自旋极化程度最高。磁性方面,在块体和Ge(Ⅱ)-(001)表面的Ge原子是铁磁自旋有序的,而在Ge(Ⅰ)-(001)表面第一层的Ge原子是亚铁磁自旋有序的。此外,Ge(Ⅱ)-(001)表面Ge原子的自旋磁矩优于块体中和Ge(Ⅰ)-(001)表面Ge原子的自旋磁矩。这些结果与Fe的d态和Ge的p态电子的杂化有关,本文中通过分析它们的态密度进行了讨论。     

TFSI钝化晶体硅表面性质的第一性原理研究

晶体硅表面钝化是高效率晶体硅太阳能电池的核心技术,直接影响晶体硅器件的性能。本文采用第一性原理方法研究了一种超强酸-双三氟甲基磺酰亚胺(TFSI)钝化晶体硅(001)表面。研究发现,TFSI的四氧原子结构能够与Si(001)表面Si原子有效成键,吸附能达到-5.124 eV。电子局域函数研究表明,TFSI的O原子与晶体硅表面的Si的成键类型为金属键。由态密度和电荷差分密度分析可知,Si表面原子的电子向TFSI转移,从而有效降低了Si表面的电子复合中心,有利于提高晶体硅的少子寿命。Bader电荷显示,伴随着TFSI钝化晶体硅表面的Si原子,表面Si原子电荷电量减少,而TFSI中的O原子和S原子电荷电量相应增加,进一步证明了TFSI钝化Si表面后的电子转移。该工作为第一性原理方法预测有机强酸钝化晶体硅表面的钝化效果提供了数据支撑。     

不同反应气氛下氢终止金刚石表面的活化性能

为了探究金刚石沉积过程中不同反应气氛下萃取基团对金刚石表面活化的影响,基于金刚石的同质外延生长机理,采用第一性原理平面波赝势方法分析了三种萃取基团(H、OH、Cl)在氢终止的金刚石[100]表面的吸附难易程度;并通过过渡态搜索计算,获得了CH4/H2,CH4/H2/CH3 COCH3,C2 H5 Cl/H2三种反应气氛下金刚石氢终止表面产生活性位点的反应热及活化能.经对比分析后发现,H、OH、Cl在氢终止金刚石表面的吸附能逐渐增强,且Cl萃取金刚石表面氢原子产生活性空位的能垒最低.因而,在传统的CH4/H2气氛中引入氧元素或氯元素能有效降低金刚石表面活化所需的能量.     

掺硼纳米晶粒多晶Si薄膜的结构特征与电学特性

采用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺,以SiH4作为反应气体源和B2H6作为硼(B)掺杂剂,在单晶Si或石英表面上,通过原位掺杂制备了掺B的纳米晶粒多晶Si(nc-poly-Si(B))薄膜.利用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和拉曼光谱等手段,检测和分析了沉积膜层的表面形貌、晶粒尺寸和密度分布等结构特征.结果表明,在典型工艺条件下,获得了晶粒尺寸为大约15 nm和密度分布为大约9 × 1010cm-2的nc-poly-Si(B)薄膜.样品经退火处理后,Si晶粒尺寸变大,排列更加有序,而且电导特性明显改善.利用常规四探针法测量了样品的薄层电阻.并讨论了B掺杂浓度和退火温度对薄膜电学性质的影响.     

硅基片上异质外延SiC的机理研究

本文利用低压高温MOCVD系统,成功地在Si(111)基片上外延出了具有高质量的SiC薄膜,并对其反应机理做了一些初步的研究.大部分观点认为,SiC/Si的异质外延,其最初的状态应该为Si衬底中Si的扩散.但是,本文通过在不同流量比的条件下,SiC薄膜在Si基片以及Al2O3基片上外延的比较,发现在SiC/Si的异质外延过程中起重大作用的并非Si衬底中Si的扩散,而是很大程度上作用于C向Si衬底的扩散.同时,还发现反应速率的快慢受SiH4流量所限制.当SiH4流量增加时,反应速率会明显加快,但是结晶质量会相对变差.     

Ag吸附对MgF_2表面结构稳定性及光学性能的影响

基于密度泛函理论,对Ag在MgF2低指数表面(100)面、(001)面、(110)面的吸附行为及吸附机理进行分析,并研究了吸附对体系结构稳定性及光学性能的影响。结果表明:Ag在MgF2表面的吸附为稳定的化学吸附,在(100)面、(001)面、(110)面的最佳吸附位分别为最外层F的四重穴位、短桥位、长桥位;吸附机理主要表现为Ag与附近F的共价键作用。吸附Ag后,MgF2表面稳定性增加,稳定性顺序由吸附前的(001)(100)(110),变为吸附后的(100)(110)(001)。在300 nm到1000 nm波段,MgF2(100)面、(001)面吸附Ag体系,折射率实部较吸附前减小。     

掺铒硼酸钙氧钆(GdCOB:Er)晶体的光谱分析

生长并测量了新型激光晶体GdCa4O(BO3)3:Er(简称GdCOB:Er)的透过谱,计算了Er3+离子在晶体中的吸收截面.由积分吸收截面的公式拟合出唯象强度参量Ω2＝2.531×10-20cm2,Ω4＝2.716×10-20cm2,Ω6＝1.891×10-20cm2,并应用Judd-Ofelt理论计算出振子强度fJ,J、辐射跃迁几率AJ,J、荧光辐射寿命τ及积分发射截面σ.并根据这些光学参量,讨论了GdCa4O(BO3)3:Er晶体用作激光晶体的可能性.     

二次退火制备Ⅲ-Ⅴ族半导体量子点

利用离子注入法在一块Si(001)衬底上注入了In+和As+,注入能量分别为210keV,150keV,注入剂量6.2×1016cm-2,8.6×1016cm-2,另一块Si(001)衬底上注入Ga+和Sb+,注入能量分别为140keV,220keV,注入剂量分别为8.2×1016cm-2,6.2×1016cm-2,然后对样品分别经过一次退火和二次退火处理制备出了Si基量子点材料。用透射电子显微镜(TEM)和高分辨透射电子显微镜(HRTEM)观察了退火后量子点截面像,用PL探测量子点的光致发光谱,发现经二次退火生长的量子点微晶格结构和Si衬底损伤的修复均明显优于一次退火。