拓扑反能带理论

能带理论是量子力学在固体材料中的一次伟大应用,催生了半导体和半导体激光等发明,促进了第三次工业革命。根据量子力学,我们知道原子中的电子只能处于离散的能级。如果原子之间的距离很远,那么电子被束缚在各自的原子核附近,原子系综存在大量的相互独立的简并能级。然而,如果将原子紧密周期排列,电子可以在不同的原子间运动,耦合简并的能级,使得简并的能级间发生能级排斥,能量随着晶格动量的变化形成连续的能带。人们根据能带带隙的大小将固体材料分为金属、绝缘体和半导体,能带带隙也决定了半导体激光、发光二极管的发光频率。     

表面Cu原子间相互作用对Cu(001)表面跳跃扩散行为的影响

采用嵌入原子方法的原子间相互作用势，利用准静态分子动力学模拟研究了Cu原子在Cu(001)表面吸附所导致的基体晶格畸变以及对其附近的另一个吸附原子自扩散行为的影响.研究结果表明，吸附原子的存在可以导致多达10层的Cu基体晶格产生畸变.两个吸附原子所产生的晶格畸变应力场之间的相互作用，可以导致吸附原子运动活性的增加.通过比较同一路径上往返跳跃扩散势垒的差异发现，在原子间相互作用势的有效距离之外，两个吸附原子的扩散行为可以认为是存在晶格畸变应力场相互作用的两个独立吸附原子的扩散；在原子间相互作用势的有效距离之 关键词： 表面吸附原子 晶格畸变 表面二聚体 扩散     

(InAs)1/(GaSb)1超晶格纳米线第一原理研究

半导体纳米线作为纳米器件的作用区和连接部分具有理想的形状, 把电子运动和原子周期性限制在一维结构当中.通过体材料的已知特性, 有效地选择材料组分使纳米线的低维结构优点更加突出.此外, 还可以通过其他方式来调整纳米线特性, 如控制纳米线直径、晶体学生长方向、结构相、表面晶体学晶面和饱和 度等内部或固有的特性;施加电场、磁场、热场和力场等外部影响. 体材料InAs和GaSb的晶格常数非常相近, 因此InAs/GaSb异质结构晶格失配很小, 可生长成为优良的红外光电子材料.另外, 体材料InAs在二元III---V化合物半导体中具有最低的有效质量, 这使得电子限制在InAs层的InAs/GaSb超晶格具有良好的输运特性. 本文通过第一原理计算研究轴线沿[001]和[111]闪锌矿晶体学方向的 (InAs)₁/(GaSb)₁超晶格纳米线(下标表示分子或双原子单层的数量) 的结构、电子和力学特性, 以及它们随纳米线直径(线径约为0.5---2.0 nm)的变化规律.另外, 分析了外部施加的应力对电子特性的影响, 考察了不同线径(InAs)₁/(GaSb)₁超晶格纳米线的电子带边能级随轴向应变的变化, 从而确定超晶格电子能带的带边变形势.     

石墨烯莫尔超晶格的晶格弛豫与衬底效应

当两个晶格常数不同或具有相对转角的二维材料叠加在一起时,可形成莫尔超晶格结构,其电学性质对层间堆垛方式、旋转角度和衬底具有很强的依赖性.例如,双层石墨烯的旋转角度减小到一系列特定的值(魔角)时,体系的费米面附近出现平带,电子-电子相互作用显著增强,出现莫特绝缘体和非常规超导量子物态.对于具有长周期性的莫尔超晶格体系,层间相互作用所引起的晶格弛豫会使原子偏离其平衡位置而发生重构.本文主要围绕晶格自发弛豫和衬底对石墨烯莫尔超晶格物性的影响展开综述.从理论和实验的角度出发,阐述旋转双层石墨烯、旋转三层石墨烯、以及石墨烯与六方氮化硼堆垛异质结等体系中自发弛豫对其能带结构和物理性质的影响.最后,对二维莫尔超晶格体系的研究现状进行总结和展望.     

NaZn13型Fe基化合物的结构和热力学性质研究

利用Chen-Mbius晶格反演获得的原子间相互作用势,对NaZn₁₃型Fe基金属间化合物进行原子级模拟研究.计算结果表明,Si原子和Co原子均优先占据96i晶位,Si原子和Co原子替代Fe原子后晶体平均结合能降低.随着Co含量的增加,LaFe_13-x-yCo_ySi_x和NdFe_13-x-yCo_ySi_x的晶格参数逐渐降低.声子态密度中,稀土原子主要激发低频模,Si原子主要激发高频模.LaFe_11.5-yCo_ySi_1.5化合物的德拜温度随Co含量的增加而增高. 关键词： 晶格反演 原子间相互作用势 热力学性质 磁致冷材料     

N,Sb和单分子层数对GaAs/GaInNAsSb超晶格性能的影响

用Keating的价力场 (valenceforcefield)模型和蒙特卡罗方法计算了GaAs GaInNAsSb超晶格中键的分布、原子的精确位置以及应变 .用折叠谱法 (foldedspectrummethod)结合Williamson经验赝势法计算了GaAs GaInNAsSb超晶格应变条件下的电子结构 .讨论了N和Sb原子以及超晶格单分子层数对电子结构的影响 .发现导带底电子态在N原子周围的局域化减小了光跃迁矩阵元 ,从而影响了该超晶格的发光性能 .计算并讨论了超晶格的电子和空穴的有效质量 .     

半导体超晶格系统中的磁电调控电子自旋输运研究

通过采用转移矩阵方法求解自旋电子隧穿过程,理论研究了半导体超晶格系统中电子自旋输运的磁电调控行为.结果表明：仅对超晶格系统施以磁调制,隧穿系数将出现自旋分裂,随磁场增强,电导自旋极化率变大且展宽于费米能区;若选取不变磁场情况,同时施以间隔周期电场调制,超晶格的电子极化率将有更为显著地提高.进一步发现,随电场强度的改变,电子自旋输运行为显然存在两个明显不同区域,下自旋电子将在不同调制区域表现为不同的变化趋势.然而,若对周期磁超晶格施加间隔两周期的电调制,自旋电导输运的临界行为消失,电导极化率在高能区的共振峰 关键词： 半导体超晶格 自旋输运 磁电调控     

超晶格结构中共振劈裂的普遍性

用传输矩阵方法研究了半导体超晶格和磁垒超晶格结构中共振劈裂效应,揭示了电子隧穿两类不同超晶格结构时共振劈裂的普遍性.其劈裂的共同特征不仅取决于超晶格的构型,而且与构筑单元的几何参数有关.在磁垒超晶格结构中,劈裂的特征还与垂直于隧穿方向的动量分量有关. 关键词：     

掺杂GaN/AlN超晶格第一性原理计算研究

第一性原理计算方法在解释实验现象和预测新材料结构及其性质上有着重要作用. 因此, 通过基于密度泛函理论的第一性原理的方法, 本文系统地研究了Mg和Si掺杂闪锌矿和纤锌矿两种晶体结构的GaN/AlN超晶格体系中的能量稳定性以及电学性质. 结果表明: 在势阱层(GaN 层)中, 掺杂原子在体系中的掺杂形成能不随掺杂位置的变化而发生变化, 在势垒层(AlN层)中也是类似的情况, 这表明对于掺杂原子来说, 替代势垒层(或势阱层)中的任意阳离子都是等同的; 然而, 相比势阱层和势垒层的掺杂形成能却有很大的不同, 并且势阱层的掺杂形成能远低于势垒层的掺杂形成能, 即掺杂元素(Mg_Ga, Mg_Al, Si_Ga和Si_Al)在势阱区域的形成能更低, 这表明杂质原子更易掺杂于结构的势阱层中. 此外, 闪锌矿更低的形成能表明: 闪锌矿结构的超晶格体系比纤锌矿结构的超晶格体系更易于实现掺杂; 其中, 闪锌矿结构中, 负的形成能表明: 当Mg原子掺入闪锌矿结构的势阱层中会自发引起缺陷. 由此, 制备以闪锌矿结构超晶格体系为基底的p型半导体超晶格比制备n型半导体超晶格需要的能量更低并且更为容易制备. 对于纤锌矿体系来说, 制备p型和n型半导体的难易程度基本相同. 电子态密度对掺杂体系的稳定性和电学性质进一步分析发现, 掺杂均使得体系的带隙减小, 掺杂前后仍然为第一类半导体. 综上所述, 本文内容为当前实验中关于纤锌矿结构难以实现p型掺杂问题提供了一种新的技术思路, 即可通过调控相结构实现其p型掺杂.     

石墨烯莫尔超晶格

石墨烯莫尔超晶格来源于六方氮化硼衬底对石墨烯的二维周期势调控. 由于这种外加的周期势对石墨烯能带具有显著的调制作用, 近年来引发了人们广泛的关注. 利用氮化硼衬底上外延的单晶石墨烯薄膜, 我们系统研究了基底调制下的莫尔超晶格以及相关的物理特性. 首先, 我们在电子端和空穴端都观测到了超晶格狄拉克点, 并且超晶格狄拉克点同本征狄拉克点类似, 都表现出绝缘体的特性. 在低温强磁场下, 可以观测到到单层石墨烯和双层石墨烯的量子霍尔效应. 并且, 从朗道扇形图中, 可以清晰的看到磁场下形成的超晶格朗道能级. 此外, 利用红外光谱的方法研究了强磁场下石墨烯超晶格体系不同朗道能级之间的跃迁, 发现这种跃迁满足有质量狄拉克费米子的行为, 对应38 meV的本征能隙. 在此基础上, 我们在380 meV位置发现一个同超晶格能量对应的光电导峰. 通过利用旋量势中三个不同的势分量对光电导峰进行拟合, 发现赝自旋杂化势起主导作用. 进一步研究表明赝自旋杂化势强度随载流子浓度的增大显著降低, 表明电子-电子相互作用引起的旋量势的重构.     

硅中的辐照点缺陷

点缺陷是指晶体中一个原子尺度的缺陷.半导体中的点缺陷包括晶格空位、间隙原子、化学杂质以及它们的复合物.由于这些缺陷的存在,使半导体晶格周期性的规则排列遭到破坏,因而往往在禁带中引入能级.半导体的许多重要性质与杂质和缺陷紧密相关,因而它们是半导体研究中基本的和重要的课题之一. 近一二十年来,硅中点缺陷的研究有了显著进展.这是因为电子顺磁共振技术、结谱法以及光学测量等得到成功的应用.用电子顺磁共振技术(EPR)可以测定具有顺磁性的点缺陷的原子组态、电子结构及其点群对称性,在此基础上又发展了电子-核磁双共振(ENDOR)…     

NaZn13型Fe基化合物的结构和热力学性质研究

利用Chen-Mbius晶格反演获得的原子间相互作用势,对NaZn13型Fe基金属间化合物进行原子级模拟研究.计算结果表明,Si原子和Co原子均优先占据96i晶位,Si原子和Co原子替代Fe原子后晶体平均结合能降低.随着Co含量的增加,LaFe13-x-yCoySix和NdFe13-x-yCoySix的晶格参数逐渐降低.声子态密度中,稀土原子主要激发低频模,Si原子主要激发高频模.LaFe11.5-yCoySi1.5化合物的德拜温度随Co含量的增加而增高.     

Mg2Si:Fe 电子结构及磁性的理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法研究了Mg_2Si:Fe体系的电子能带结构、态密度和磁性.结果表明:掺入的Fe原子优先占据晶格中的空隙位,也可能代替晶格中的Mg位.从能带结构和态密度可以看出,当Fe原子位于晶格中空隙位时,系统显示出金属性;当Fe占据Mg位置时,对于自旋向上电子态,体系有一带隙存在,系统呈现明显的半导体特性;对于自旋向下电子态,Fe的替位掺杂在该体系内引入新的杂质能级,杂质能级与导带价带分离,且100%自旋极化.两种位置的杂质,上自旋电子和下自旋电子的态密度均明显不对称,诱导出铁磁性,且铁磁性主要由于Fe的3d态电子诱导产生.Fe位于空隙位时,Fe原子的磁矩为1.69μB;Fe占据Mg位时,Fe原子的磁矩为1.38μB,说明原子磁矩与其所占位置和配位情况有关.     

非传统超导PuRhGa_5晶体结构和电子性质的第一性原理研究北大核心CSCD

本文基于第一性原理的局域自旋密度近似(LSDA:Local spin density approximation)及LSDA+U方法报道了Pu基超导体系PuRhGa_5的晶格参数,原子占位和电子性质.LSDA+U方法不仅考虑了Pu-5f电子而且考虑了Rh-4d电子的库伦排斥作用U和Hund交换相关作用J.计算结果表明,PuRhGa_5的铁磁性具有较低能量,且晶格参数和原子占位与相关理论和实验数据吻合较好.对比PuRhGa_5的顺磁性和铁磁性态密度,表明Pu-5f电子具有明显的自旋极化现象和强的自旋-轨道耦合效应.与此同时,Pu-5f电子在费米能级处陡降且具有强定域特点可能是导致PuRhGa_5具有较低临界转变温度Tc的重要原因.此外,费米能级两侧电子的定域特征及耦合关联效应可能是导致PuRhGa_5具有超导性的关键.     

超晶格

 晶格是原子或分子聚集时在一定条件下形成的周期性有序结构,这是晶体的基本特征.科学家在实验中利用现代技术实现了人工的周期性有序结构,这是人为的周期性结构,它显示出不寻常的特性,称为超晶格结构,也可称为超晶格材料.     

多壳层铜纳米线结构和电子特性的第一性原理研究

基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算,系统地研究了多壳层Cu纳米线的稳定结构和电子特性.得到不同线径多壳层Cu纳米线的平衡态晶格常数相差不大,都表现出金属特性,且其单原子平均结合能和量子电导随着纳米线直径的增加而增加.纳米线中内壳层Cu原子表现出体相结构Cu原子相似的电子特性,而表面壳层由于配位数的减少,其3d态能量范围变窄且整体向费米能级发生移动.电荷密度分析表明,相对于体相Cu晶体中原子间的相互作用,纳米线表面壳层Cu原子与其最近邻原子间的相互作用明显增强.     

高组分稀磁半导体Cd1-xMnxTe/CdTe超晶格的荧光谱研究

报道用分子束外延(MBE)技术生长的x=0.4,0.8的高组分稀磁半导体Cd1-xMnxTe/CdTe超晶格低温和室温荧光谱研究结果.基态激子跃迁能级荧光谱实验结果显示高组分超晶格中具有高量子效率和高质量光发射.对激子能级随温度的变化进行了详细研究,给出激子跃迁能量的温度系数.激子能级线型的展宽随温度变化关系可用激子-纵向光学声子耦合模型解释.与光调制反射谱实验结果进行了比较.     

Na掺杂反式聚乙炔中的孤子晶格的能谱与电子束缚态

从离散的ＳＳＨ模型出发，考虑了链内的电子相互作用，以及由杂质和周围链上的荷电孤子产生的库仑势的影响，探讨了各种掺杂浓度的反式聚乙炔中孤子晶格的能谱与电子束缚态。计算结果表明：在孤子晶格的能谱中，在价带底有两条定域能级，在导带顶存在着多个电子束缚态，随掺杂浓度的升高，束缚态的局域性减弱，禁带中的孤子能级形成孤子能带。当掺杂浓度高达１６．６７％时，所有的电子束缚态都消失，转变为扩展态。孤子晶格的禁带宽度随着掺杂浓度的增加而增大，最高占据态与导带底之间的能隙则随之逐渐减小。孤子能带底与价带顶之间的能隙在临界浓度附近有一极大值。还讨论了电子－电子相互作用对孤子晶格能谱的影响。 关键词：     

磁耦合效应对半无限超晶格中表面电子态的影响

在有效质量近似理论下，采用有效垒高方法，研究了在沿超晶格生长方向加一有限磁场时磁耦合效应对半无限半导体超晶格中表面电子态的影响.当考虑超晶格中阱层和垒层之间电子有效质量的差别时，沿超晶格生长方向的磁场将导致磁耦合效应的出现.研究结果表明，磁耦合效应不仅引起表面电子能级的量子化，而且表面电子能级的大小及其在表面附近的局域程度也依赖于磁场的大小和朗道指数.此外，研究表明布洛赫波数的虚部可以作为一个衡量表面电子态局域程度的物理量. 关键词： 超晶格中的电子态 表面态 磁场     

中国科学院半导体所近年论文摘编

 中科院半导体所云集着黄昆、林兰英等一流物理学家和一大批有作为的中青年学者,他们在半导体物理,特别是在半导体超晶格物理的理论研究、半导体超晶格的光谱物理、超晶格低维系统的输运特性、超晶格量子阱中杂质、深能级行为、超晶格、多层异质结构材料诸方面获得众多成果,在世界半导体物理领域占有重要地位.根据灰色文献的定义,我们将该所学者在国际会议报告和将发表的论文有选择地摘录发表.供广大读者参考.