半导体材料GaN，SiGe和ZrS2基低维体系的电子结构和光学性质研究

摘要

近年来，随着全球对能源需求的不断增加，越来越多的科学家开始关注和研究新型节能环保的光电材料，其中一些基低维结构以及二维类石墨烯材料因其具有合理带隙值和优良的发光效率等性质被广泛应用于晶体管、半导体激光器及太阳能电池等领域。本文首先运用变分法对纤锌矿InGaN staggered量子阱和直接带隙Ge/SiGe量子阱中的激子态和光学性质进行了研究。然后运用基于第一性原理的密度泛函理论方法研究了类石墨烯结构ZrS2纳米片的n和p型掺杂对其电子结构、形成能和跃迁能级的影响，还进一步研究了不同Se浓度下二维ZrS2-xSex合金的光学性质。论文第一章论述了半导体材料的研究进展，并介绍了GaN、SiGe、二维过渡金属硫化物材料的相关性质和应用。第二章介绍了激子态，变分法，第一性原理方法及掺杂的形成能等理论基础。第三章到第六章研究了纤锌矿InGaN staggered量子阱和直接带隙SiGe量子阱中的光学性质，Ⅴ和Ⅶ族元素掺杂对二维ZrS2单层纳米片电子结构的影响以及Se取代二维ZrS2单层时的电子结构和光学性质。本文的主要研究内容可以分为四大部分:
　　1)利用变分法研究了纤锌矿InGaN staggered量子阱的激子态和光学性质。计算结果显示了InGaN量子阱的量子尺寸、铟含量和极化电场对束缚于量子阱中的激子态和光学性质有着明显的影响。对于对称结构InGaN staggered量子阱，发现极化电场对线性光极化率影响很大，当阱宽和铟含量增加时，基态激子结合能和振子强度减小而带间发光波长增大。非对称结构InGaN staggered量子阱中，不同的铟含量下，随着In0.15Ga0.85N层的宽度增加，基态激子结合能和振子强度存在极大值，基态激子结合能和振子强度的斯塔克效应存在极小值，而带间发光波长单调变化。本文的理论结果表明可通过改变staggered垒高、铟的含量及量子尺寸来调控InGaN staggered量子阱的光学性质，为进一步制备InGaN基蓝绿发光二极管等纳米光电子器件提供了理论基础。
　　2)利用变分法研究了激光场及量子尺寸对直接带隙Ge/SiGe量子阱中激子态和光学性质的影响。数值计算结果表明激光场以及量子尺寸对直接带隙Ge/SiGe量子阱内带间光跃迁能、基态激子结合能的影响很明显。在不同的激光场强度下，当量子阱宽度增加时，带间光跃迁能趋势是减小的。而基态激子结合能随着阱宽的变化有一个最大值。在给定的量子阱宽度下，带间光跃迁能随着激光场强度的增加而单调增加，然而基态激子结合能则随之单调减小。研究也发现:在闪锌矿直接带隙Ge/SiGe量子阱中，在阱宽很小的时候，由于量子尺寸效应，带间光跃迁能和基态激子结合能对激光场非常敏感。
　　3)基于第一性原理方法研究了Ⅴ和Ⅶ族元素掺杂对二维ZrS2纳米片的电子结构的影响。结果表明ZrS2纳米片晶格常数和键长dZr-S是3.68埃和2.57埃，ZrS2单层属于间接带隙半导体材料，带隙为1.127 eV。N掺杂ZrS2单层时，自旋向上和向下的自旋态密度是对称的，即N掺杂ZrS2单层显示非磁性基态。P和As掺杂ZrS2单层，自旋向上和向下自旋态密度是不对称的，即P和As掺杂ZrS2单层系统表现出磁性基态。而且Ⅶ族元素掺杂也没有获得磁性。同时数值结果也显示了Ⅴ和Ⅶ族元素的掺杂，原子半径对ZrS2纳米片掺杂体系的跃迁能级和形成能有非常重要的影响。Ⅴ族原子（N，P和As）替代ZrS2单层S原子时，受主杂质的状态可以被诱导，而Ⅶ族原子(F，Cl和Br)掺杂能够诱导n型杂质态。特别是N原子掺杂在Ⅴ族掺杂ZrS2单层具有最低形成能和浅跃迁能级，N在ZrS2单层的掺杂能提供有效的p型载流子而且在富Zr的环境下实验上容易实现。这些结果可能为ZrS2纳米片系统的掺杂的进一步实验提供研究线索。
　　4)基于第一性原理方法研究了Se取代二维ZrS2单层时对电子结构和光学性质的影响。计算显示了当Se取代ZrS2材料中的S元素时，其带隙降低且没有产生带隙态。这是由于Se与S元素属于同族。另外，光学性质研究也表明Se含量的增加，ZrS2-2xSe2x单层材料的光吸收阈值移向低能区域。因此该研究为实验上探讨调控ZrS2单层的能带结构和光学性质提供理论基础。
　　总之，本文研究了极化场和量子尺寸对纤锌矿InGaN staggered量子阱中光学性质的影响以及激光场对直接带隙Ge/SiGe量子阱里的激子态和光学特性的影响，研究了Ⅴ和Ⅶ族元素取代二维ZrS2纳米片中S元素导致的n和p型杂质态的电子结构以及二维ZrS2-2xSe2x合金电子结构和光学性质及相关物理机理。期望我们的研究成果能对相关物理实验的开展具有一定参考价值和指导作用。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 半导体材料简介

1．2 低维半导体结构

1．3 闪锌矿和纤锌矿简介

1．4 二维过渡金属硫化物

1．4．1 二维过渡金属硫化物简介

1．4．2 二维材料的调制研究

1．5 本文研究材料介绍

1．5．1 GaN材料的性质和应用

1．5．2 SiGe材料的性质和应用

1．5．3 层状结构ZrS2材料

1．6 主要研究内容

第二章 理论基础

2．1 激子态

2．2 有效质量理论

2．3 变分法

2．4 密度泛函理论

2．4．1 绝热近似(Born-Oppenheimer approximation)

2．4．2 孔恩，沈吕九定理

2．4．3 局域密度近似和广义梯度近似

2．4．4 DFT+U方法

2．5 从头算计算使用的软件介绍

2．6 缺陷的形成能和跃迁能

2．6．1 半导体材料的掺杂

2．6．2 元素的化学势

2．6．3 缺陷的形成能和跃迁能级

第三章 纤锌矿InGaN staggered量子阱中激子态和光学性质

3．1 引言

3．2 模型和计算细节

3．3 计算结果和讨论

3．3．1 对称结构InGaN staggered量子阱情形

3．3．2 非对称结构InGaN staggered量子阱情形

3．4 本章小结

第四章 激光对直接带隙Ge／SiGe量子阱中激子态和光学性质影响

4．1 引言

4．2 模型和计算细节

4．3 结果与讨论

4．3．1 激光场对量子阱激子基态性质的影响

4．3．2 阱宽对量子阱激子基态性质的影响

4．4 本章小结

第五章 Ⅴ和Ⅶ族掺杂ZrS2单层的电子结构

5．1 引言

5．2 计算方法

5．3 计算结果和讨论

5．3．1 本征ZrS2单层的电子结构

5．3．2 Ⅴ族原子掺杂ZrS2单层的电子结构

5．3．3 Ⅴ族原子掺杂ZrS2单层的形成能和跃迁能级

5．3．4 Ⅶ族原子掺杂ZrS2单层的电子结构

5．3．5 Ⅶ族原子掺杂ZrS2单层的形成能和跃迁能级

5．4 本章小结

第六章 二维ZrS2-2xSe2x合金的电子结构和光学性质的研究

6．1 引言

6．2 计算方法

6．3 结果与讨论

6．3．2 二维ZrS2-2xSe2x合金的电子结构特征

6．3．3 二维ZrS2-xSe2x合金的的光学性质

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间的主要工作

参加的学术会议交流

声明