半導體材料GaN，SiGe和ZrS2基低維體系的電子結(jié)構(gòu)和光學性質(zhì)研究.pdf

1、近年來，隨著全球?qū)δ茉葱枨蟮牟粩嘣黾?，越來越多的科學家開始關注和研究新型節(jié)能環(huán)保的光電材料，其中一些基低維結(jié)構(gòu)以及二維類石墨烯材料因其具有合理帶隙值和優(yōu)良的發(fā)光效率等性質(zhì)被廣泛應用于晶體管、半導體激光器及太陽能電池等領域。本文首先運用變分法對纖鋅礦InGaN staggered量子阱和直接帶隙Ge/SiGe量子阱中的激子態(tài)和光學性質(zhì)進行了研究。然后運用基于第一性原理的密度泛函理論方法研究了類石墨烯結(jié)構(gòu)ZrS2納米片的n和p型摻雜對其電子

2、結(jié)構(gòu)、形成能和躍遷能級的影響，還進一步研究了不同Se濃度下二維ZrS2-xSex合金的光學性質(zhì)。論文第一章論述了半導體材料的研究進展，并介紹了GaN、SiGe、二維過渡金屬硫化物材料的相關性質(zhì)和應用。第二章介紹了激子態(tài)，變分法，第一性原理方法及摻雜的形成能等理論基礎。第三章到第六章研究了纖鋅礦InGaN staggered量子阱和直接帶隙SiGe量子阱中的光學性質(zhì)，Ⅴ和Ⅶ族元素摻雜對二維ZrS2單層納米片電子結(jié)構(gòu)的影響以及Se取代二維Z

3、rS2單層時的電子結(jié)構(gòu)和光學性質(zhì)。本文的主要研究內(nèi)容可以分為四大部分:
　　1)利用變分法研究了纖鋅礦InGaN staggered量子阱的激子態(tài)和光學性質(zhì)。計算結(jié)果顯示了InGaN量子阱的量子尺寸、銦含量和極化電場對束縛于量子阱中的激子態(tài)和光學性質(zhì)有著明顯的影響。對于對稱結(jié)構(gòu)InGaN staggered量子阱，發(fā)現(xiàn)極化電場對線性光極化率影響很大，當阱寬和銦含量增加時，基態(tài)激子結(jié)合能和振子強度減小而帶間發(fā)光波長增大。非對稱結(jié)構(gòu)I

4、nGaN staggered量子阱中，不同的銦含量下，隨著In0.15Ga0.85N層的寬度增加，基態(tài)激子結(jié)合能和振子強度存在極大值，基態(tài)激子結(jié)合能和振子強度的斯塔克效應存在極小值，而帶間發(fā)光波長單調(diào)變化。本文的理論結(jié)果表明可通過改變staggered壘高、銦的含量及量子尺寸來調(diào)控InGaN staggered量子阱的光學性質(zhì)，為進一步制備InGaN基藍綠發(fā)光二極管等納米光電子器件提供了理論基礎。
　　2)利用變分法研究了激光場及

5、量子尺寸對直接帶隙Ge/SiGe量子阱中激子態(tài)和光學性質(zhì)的影響。數(shù)值計算結(jié)果表明激光場以及量子尺寸對直接帶隙Ge/SiGe量子阱內(nèi)帶間光躍遷能、基態(tài)激子結(jié)合能的影響很明顯。在不同的激光場強度下，當量子阱寬度增加時，帶間光躍遷能趨勢是減小的。而基態(tài)激子結(jié)合能隨著阱寬的變化有一個最大值。在給定的量子阱寬度下，帶間光躍遷能隨著激光場強度的增加而單調(diào)增加，然而基態(tài)激子結(jié)合能則隨之單調(diào)減小。研究也發(fā)現(xiàn):在閃鋅礦直接帶隙Ge/SiGe量子阱中，在阱

6、寬很小的時候，由于量子尺寸效應，帶間光躍遷能和基態(tài)激子結(jié)合能對激光場非常敏感。
　　3)基于第一性原理方法研究了Ⅴ和Ⅶ族元素摻雜對二維ZrS2納米片的電子結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明ZrS2納米片晶格常數(shù)和鍵長dZr-S是3.68埃和2.57埃，ZrS2單層屬于間接帶隙半導體材料，帶隙為1.127 eV。N摻雜ZrS2單層時，自旋向上和向下的自旋態(tài)密度是對稱的，即N摻雜ZrS2單層顯示非磁性基態(tài)。P和As摻雜ZrS2單層，自旋向上和向下自

7、旋態(tài)密度是不對稱的，即P和As摻雜ZrS2單層系統(tǒng)表現(xiàn)出磁性基態(tài)。而且Ⅶ族元素摻雜也沒有獲得磁性。同時數(shù)值結(jié)果也顯示了Ⅴ和Ⅶ族元素的摻雜，原子半徑對ZrS2納米片摻雜體系的躍遷能級和形成能有非常重要的影響。Ⅴ族原子（N，P和As）替代ZrS2單層S原子時，受主雜質(zhì)的狀態(tài)可以被誘導，而Ⅶ族原子(F，Cl和Br)摻雜能夠誘導n型雜質(zhì)態(tài)。特別是N原子摻雜在Ⅴ族摻雜ZrS2單層具有最低形成能和淺躍遷能級，N在ZrS2單層的摻雜能提供有效的p型載

8、流子而且在富Zr的環(huán)境下實驗上容易實現(xiàn)。這些結(jié)果可能為ZrS2納米片系統(tǒng)的摻雜的進一步實驗提供研究線索。
　　4)基于第一性原理方法研究了Se取代二維ZrS2單層時對電子結(jié)構(gòu)和光學性質(zhì)的影響。計算顯示了當Se取代ZrS2材料中的S元素時，其帶隙降低且沒有產(chǎn)生帶隙態(tài)。這是由于Se與S元素屬于同族。另外，光學性質(zhì)研究也表明Se含量的增加，ZrS2-2xSe2x單層材料的光吸收閾值移向低能區(qū)域。因此該研究為實驗上探討調(diào)控ZrS2單層的能