摻雜對材料導電性影響的理論研究.pdf

1、隨著各種摻雜技術(shù)的不斷完善，摻雜已經(jīng)成為改善材料導電性的重要手段，目前常用的摻雜方法主要有化學摻雜、電化學摻雜和物理摻雜等。然而，關(guān)于導電材料的摻雜機理，即摻雜過程中詳細的物理和化學圖像，尚不十分明確。比如，摻雜元素如何改變材料的電子結(jié)構(gòu)，能否通過摻雜改變材料的電子結(jié)構(gòu)從而進一步對其導電性進行調(diào)控等。因此，從理論角度計算摻雜對材料導電性的影響，并分析其摻雜機理，揭示摻雜對材料電子結(jié)構(gòu)影響的信息，建立電子結(jié)構(gòu)與導電性之間的關(guān)系，對于設(shè)計出

2、性能優(yōu)異的導電材料具有重要意義。
　　本文采用密度泛函理論并結(jié)合非平衡格林函數(shù)方法，從理論角度計算了兩種不同類型導電材料的電子輸運性質(zhì)，討論了摻雜對它們導電性的影響，共進行了兩部分研究工作:(1)B、P摻雜對碳納米管/聚硅烷異質(zhì)結(jié)導電性的影響;(2)稀土摻雜對δ-MoN導電性的影響。
　　研究了碳納米管口接枝聚硅烷形成的一維σ-π共軛體系，即碳納米管/聚硅烷異質(zhì)結(jié)的電子輸運性質(zhì)，重點考察了B原子摻雜、P原子摻雜以及B、P共摻

3、雜聚硅烷主鏈對其導電性的影響，并對摻雜導致其導電性改變的原因和機理進行了深入分析。研究發(fā)現(xiàn)，B原子和P原子摻雜不僅顯著提高了碳納米管/聚硅烷異質(zhì)結(jié)的電導率，還引起了多重NDR效應(yīng)。采用一種比較的方式對影響體系導電性的摻雜因素包括摻雜原子的種類、濃度以及摻雜位置進行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，B摻雜體系中的電子具有更好的共軛效應(yīng)，導致B摻雜體系的電導率高于P摻雜體系;摻雜原子濃度的增大能夠明顯降低HOMO-LUMO能隙，從而顯著增強體系的NDR效應(yīng)

4、;當B原子或P原子取代聚硅烷主鏈中心位置的Si原子時，中心聚硅烷分子與左、右電極間的耦合程度最好，此時體系的電導率最大;B、P共摻雜導致體系出現(xiàn)了明顯的整流效應(yīng)，其整流比可達7.19。
　　研究了δ-MoN的電子輸運性質(zhì)，討論了稀土摻雜對其導電性的影響，通過對晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的分析探討了稀土元素的摻雜機理。共選取了五種具有代表性的稀土元素:La、Ce、Pr、Gd和Yb，它們的價電子層結(jié)構(gòu)分別為:4f05d16s2、4f15d16

5、s2、4f35d06s2、4f75d16s2和4f145d06s2，比較全面的考慮了多種稀土元素的4f電子構(gòu)型對δ-MoN導電性的影響。對于每一種稀土元素，又分別考慮了兩種不同的取代位置:Wockoff坐標的2a位置和6c位置。研究發(fā)現(xiàn)，除Pr和Yb摻雜提高了δ-MoN的電導率以外，La、Ce和Gd摻雜均使δ-MoN的電導率下降，這主要是由于Pr-4f和Yb-4f軌道電子貢獻的態(tài)密度峰距離費米能級較近，導致費米能級附近的載流子濃度增大;