幾種半導(dǎo)體納米材料表面電子結(jié)構(gòu)和磁性研究.pdf

1、上世紀(jì)七十年代，石英光導(dǎo)纖維和GaAs激光器的出現(xiàn)，促進(jìn)了光纖通訊的發(fā)展，使人類(lèi)進(jìn)入了信息時(shí)代。如今，納米材料和納米技術(shù)的發(fā)展，使人類(lèi)從納米水平上控制強(qiáng)大的新型器件，勢(shì)必深刻的影響著世界政治，經(jīng)濟(jì)格局和軍事對(duì)抗形式，徹底改變?nèi)祟?lèi)的生活方式。隨著納米材料尺寸的持續(xù)減小，表面效應(yīng)變得愈發(fā)顯著，對(duì)材料的電子結(jié)構(gòu)和磁性產(chǎn)生了重要的影響。本論文基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法，針對(duì)具有應(yīng)用前景的Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體GaAs，InSb納米線以及氧化物

2、半導(dǎo)體SnO2量子點(diǎn)的電子結(jié)構(gòu)和磁性展開(kāi)研究，獲得了一些有意義的結(jié)果:
　　模擬了裁剪(Ga，Mn)As薄膜成為納米條帶提高體系居里溫度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過(guò)計(jì)算了Mn間隙原子在不同形狀，不同方向，不同表面原子和不同尺寸納米結(jié)構(gòu)中的形成能，發(fā)現(xiàn)Mn間隙原子處在最外層由四個(gè)As原子組成的四面體間隙位，形成能最低。形成能的大小與納米結(jié)構(gòu)形狀和取向無(wú)關(guān)，而與尺寸有關(guān)，隨著尺寸減小形成能逐漸變大。結(jié)果表明通過(guò)納米工程技術(shù)提高納米結(jié)構(gòu)比表面積，能

3、夠使Mn間隙原子擴(kuò)散出去，降低Mn間隙含量，從而提高(Ga，Mn)As稀磁半導(dǎo)體的居里溫度，合理的解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。
　　研究了表面鈍化效應(yīng)對(duì)(Ga，Mn)As納米線磁性的影響，發(fā)現(xiàn)在裸納米線和鹵素鈍化的納米線中，Mn取代原子在表面位置形成能最小;贗氫鈍化納米線以后，Mn取代原子在納米線內(nèi)部位置形成能最小。研究還發(fā)現(xiàn)納米線的鐵磁性與晶體結(jié)構(gòu)和表面鈍化有關(guān)，閃鋅礦型裸納米線中存在鐵磁性和反鐵磁性，當(dāng)納米線表面被鈍化后，出現(xiàn)了反鐵磁性到

4、鐵磁性的翻轉(zhuǎn);然而在纖鋅礦型納米線中，無(wú)論其表面鈍化還是非鈍化，體系都將保持鐵磁性，且表面鈍化能夠增強(qiáng)體系的鐵磁穩(wěn)定性。
　　研究了表面鈍化效應(yīng)對(duì)InSb納米線電子結(jié)構(gòu)的調(diào)制作用，發(fā)現(xiàn)采用不同種類(lèi)材料鈍化InSb納米線表面懸掛鍵，與表面原子發(fā)生電荷補(bǔ)償，消除帶隙中的表面態(tài)，不僅使InSb納米線表現(xiàn)出其本質(zhì)的半導(dǎo)體性質(zhì)，而且能夠提高InSb納米線載流子遷移率，相比于贗氫鈍化，鹵素鈍化效果更顯著。
　　研究了單軸應(yīng)力對(duì)InSb納

5、米線電子結(jié)構(gòu)的影響。通過(guò)壓縮或者拉伸，發(fā)現(xiàn)不同晶體結(jié)構(gòu)，不同尺寸InSb納米線的電子結(jié)構(gòu)得到了有效地調(diào)制。當(dāng)壓力作用在納米線軸向上，可使閃鋅礦型沿[111]方向生長(zhǎng)的InSb納米線電子結(jié)構(gòu)從直接帶隙向間接帶隙發(fā)生轉(zhuǎn)變，而纖鋅礦型沿[0001]方向生長(zhǎng)的納米線從半導(dǎo)體向金屬發(fā)生轉(zhuǎn)變。研究結(jié)果還表明載流子的有效質(zhì)量能夠通過(guò)應(yīng)力效應(yīng)進(jìn)行有效地調(diào)控;在閃鋅礦型納米線中，拉力能夠降低空穴和電子的有效質(zhì)量，壓力能夠增加空穴和電子的有效質(zhì)量;在纖鋅礦

6、型納米線中，拉力和壓力能夠增加空穴和電子的有效質(zhì)量。
　　研究了表面懸掛鍵對(duì)SnO2量子點(diǎn)磁性的影響，發(fā)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)表面懸掛鍵態(tài)密度的自旋劈裂是導(dǎo)致d0鐵磁性的原因之一。陰離子懸掛鍵表面態(tài)主要出現(xiàn)在價(jià)帶頂附近，類(lèi)似于淺受主能級(jí)提供空穴;陽(yáng)離子懸掛鍵表面態(tài)主要出現(xiàn)在導(dǎo)帶底帶隙中，類(lèi)似于施主能級(jí)提供電子。采用帶有分?jǐn)?shù)電荷的贗氫原子來(lái)鈍化體系的懸掛鍵，表面自旋態(tài)消失。過(guò)渡金屬Co和Ni的3d態(tài)也出現(xiàn)在帶隙中，當(dāng)量子點(diǎn)表面存在懸掛鍵時(shí)，陰陽(yáng)