Mobility enhancement of strained GaSb p-channel metal oxide semiconductor field-effect transistors with biaxial compressive strain

Various biaxial compressive strained GaSb p-channel metal–oxide–semiconductor field-effect transistors(MOSFETs)are experimentally and theoretically investigated. The biaxial compressive strained GaSb MOSFETs show a high peak mobility of 638 cm~2/V·s, which is 3.86 times of the extracted mobility of the fabricated GaSb MOSFETs without strain.Meanwhile, first principles calculations show that the hole effective mass of Ga Sb depends on the biaxial compressive strain.The biaxial compressive strain brings a remarkable enhancement of the hole mobility caused by a significant reduction in the hole effective mass due to the modulation of the valence bands.     

Correlation of grain boundary extra free volume with vacancy and solute segregation at grain boundaries: a case study for Al

Grain boundary extra free volume (GB EFV) can be considered as fundamental microstructural parameter for polycrystalline or nano-crystalline materials. Here, we present a systematic first principles study on a group of representative symmetric tilt grain boundaries of Al with various EFVs subjected to vacancy formation and Mg segregation. All grain boundaries were constructed using the coincident site lattice (CSL) and the structural unit (SU) models. It was found that the SU model is superior to the CSL in describing FCC-Al GBs, the same as we previously revealed for BCC-Fe. The predicted relation between GB misorientation angle and EFV, and the predicted EFV criteria for a stable GB, both agree with available experimental observations. Vacancy formation and Mg segregation show stronger preference to those GBs with high EFV values, due to the resultant high levels of atomic disorder. These findings not only provide a new, atomistic perspective on the significance of EFV, but also suggest a viable means of predicting GB properties based on direct experimental characterisation of GB EFVs.     

[Ca_(24)Al_(28)O_(64)]~(4+):4e~-电子化合物的制备及其电输运特性

金属氧化物电子化合物[Ca_(24)Al_(28)O_(64)]~(4+):4e~-(C12A7:e~-)因其天然的纳米尺度笼腔结构带来的新奇物理化学特性而在阴极电子源材料、超导和电化学反应等领域有着独特的应用价值.本文系统研究了以CaCO_3和Al_2O_3粉末为原料,采用固相反应-放电等离子烧结-活性金属Ti还原相结合的方法制备C12A7:e~-的工艺条件及其电输运特性.实验结果表明:在封装石英管真空度为10~(-5)Pa,还原温度为1100?C,还原时间为10—30 h条件下,成功制得载流子浓度为约10~(18)—10~(20)cm~(-3)的C12A7:e~-块体材料.第一性原理计算得到的C12A7:e~-能带结构和态密度表明,笼腔内的O~(2-)完全被e-取代后,C12A7:e~-费米能级明显穿过笼腔导带,说明位于笼腔内自由运动的电子使C12A7从绝缘体转变成导体,同时费米面附近的笼腔电子易于从笼腔导带跃迁至框架导带,在电场或热场的作用下电子更容易逸出,这也是C12A7:e~-逸出功低的主要原因.     

高压下铌铁矿相TiO2直接相变的第一性原理研究

利用第一性原理的GGA+U方法对TiO2的金红石相、铌铁矿相、萤石相、黄铁矿相和四方P42/nmc相进行了计算。首先,优化了这几个相的晶体结构及相关参数,分析了焓曲线图,发现了在50.1GPa压强下,铌铁矿相突然直接转变成一个新的四方P42/nmc相。其次,通过GGA+U和HSE06两种方法计算讨论了四方P42/nmc相的能带结构,并拟合分析了三阶B-M状态方程和XRD图谱。最后,通过分析相变压强范围、体弹模量和XRD图谱,本文认为四方P42/nmc相与立方萤石相是共存的,能很好符合2004年立方TiO2的实验结果。     

高性能析氧电催化剂的设计策略

电催化水分解反应是可以实现规模化制取氢气的一种重要绿色无污染的手段,但是其效率极大地受制于阳极析氧反应. 因此,发展廉价、高效的析氧反应催化剂是当下的研究热点. 通过分析决定析氧反应催化活性的因素,本综述总结了低成本、高效、稳定的析氧电催化剂的一些通用设计与制备策略,包括：1）通过电子结构调控、结晶度调控、相调控、缺陷位调控以及自旋态调控提升单个催化活性位点的本征催化活性;2）设计与构筑先进电极结构,以实现活性位点数量最大化,获得大电流下稳定的电极材料. 进而,选取了一些具有代表性的高效析氧催化剂作为例子来阐述这些策略的实用性. 最后,对高效、可在大电流密度下稳定工作的析氧催化剂的理性设计、可控制备和发展方向提出了展望,以期为新型高性能析氧催化剂的设计提供指导.     

Pt掺杂CdS光学性质的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,运用Castep计算分析了Pt元素掺杂CdS结构,对本征CdS和掺杂晶体的能带结构、态密度以及光学性质进行了分析对比, 由掺杂前后的结果分析发现：Pt掺杂闪锌矿相CdS产生了新的能带,带隙明显缩小;CdS的吸收边产生红移,禁带宽度变窄,在可见光区具有较大吸收系数,提高了可见光的利用率,表现出较好的可见光光催化活性。     

三氧化钨表面氢吸附机理的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,在广义梯度近似下,研究了立方WO_3,WO_3(001)表面结构及其氢吸附机理.计算结果表明立方晶体WO_3理论带隙宽度为0.587 eV.WO_3(001)表面有WO终止(001)表面和O终止(001)表面两种结构,表面结构优化后W—O键长和W—O—W键角改变,从而实现表面弛豫;WO终止(001)表面和O终止(001)表面分别呈现n型半导体特征和p型半导体特征.分别计算了H原子吸附在WO终止(001)表面和O终止(001)表面的H—O_(2c)—H,H—O_(2c)…H—O_(2c),H—O_(1c)—H和H—O_(1c)…H—O_(1c)四种吸附构型,其中H—O_(1c)—H吸附构型的吸附能最小,H—O键最短,H失去电子数最多,分别为-3.684 eV,0.0968 nm和0.55e,此吸附构型最稳定.分析其吸附前后的态密度,带隙从吸附前的0.624 eV增加到1.004 eV,价带宽度基本不变.H的1s轨道电子与O的2p,2s轨道电子相互作用,在-8和-20 eV附近各形成了一个较强的孤立电子峰,两个H原子分别与一个O_(1c)原子形成化学键,最终吸附反应生成了一个H_2O分子,同时产生了一个表面氧空位.     

高压下锗化镁的金属化相变研究

锗化镁是一种窄带半导体,压力作用可以使锗化镁导带底与价带顶的能隙变小.本文基于第一性原理计算了锗化镁在高压下的能带结构以及反萤石相(常压稳定相)和反氯铅矿相(高压相)的焓值,发现在7.5 GPa时反萤石结构锗化镁导带底与价带顶的能隙闭合,预示着半导体相转变为金属相,计算结果还预测在11.0 GPa时锗化镁发生从反萤石结构到反氯铅矿结构的相变.实验研究方面,本文采用长条形压砧在连续加压条件下测量了锗化镁高压下的电阻变化,采用金刚石对顶压砧测量了锗化镁的高压原位拉曼光谱,发现在8.7 GPa锗化镁的电阻出现不连续变化,9.8 GPa以上锗化镁的拉曼振动峰消失.由于金属相的自由电子浓度高会阻碍激发光进入样品,进而引起拉曼振动峰消失,因此我们推测锗化镁在9.8 GPa转变为金属相.     

Zn空位对Al-P共掺杂ZnO电子结构影响的第一性原理计算

采用第一性原理平面波赝势法计算ZnO（Al,P）体系的晶格参数和电子结构,重点分析Zn空位对体系晶体结构、形成能、态密度的影响.计算结果表明：Al和P共掺杂过程中,Al_Zn-P_Zn有更低的形成能,能带分析呈现n型.并随着Zn空位浓度的增大使得掺杂后的晶胞体积减小,晶格常数c先增大后减小.存在Zn空位的掺杂体系形成能比Al_Zn-P_O掺杂体系低,体系较稳定.能带分析呈现p型趋势.Al和P以1∶2的比例掺杂时,体系的形成能降低,体系更稳定;同时,比较1个V_Zn和2个V_Zn的Al_Zn-P_Zn共掺杂体系的能带结构发现,随着Zn空位浓度增大,带隙增大,体系p型化特征增强.Al_Zn-2P_Zn共掺杂体系带隙减小为0.56 eV,更有利于提高其导电性质.然而出现2V_Zn后,带隙增大为0.73 eV,小于本征ZnO带隙,p型化程度更强烈;此外态密度分析表明2V_Zn的Al_Zn-2P_Zn共掺杂使得态密度更加分散,更多的电子穿过费米能级使得p型化更明显.因此,将Al/P按1∶2的比例共掺且Zn空位增至2个时,可以获得导电性能更好的p型ZnO.