In2O3(ZnO)m电子结构及其纳米材料电子输运性质研究

摘要

透明导电氧化物通常都具有n型电导和宽带隙的普遍特征，它们在实现透明光电子器件的开发和应用方面具有举足轻重的作用。同构化合物InMO3(ZnO)m（M=In，Ga，m=正整数）（IMZOm）体系由于其特殊的层状晶体结构和光电性质，例如非晶态高迁移率，在可见和近紫外光区域的光学透明性以及优异的热稳定性等等，有望被广泛应用于下一代柔性和透明光电子以及纳米光电子器件之中。本文以In2O3(ZnO)m（IZOm）体系为代表，系统地研究了它们的晶体结构和电子结构，以及其一维纳米结构的电子输运性质，进而揭示了它们与结构相关的特有的物理特征。
　　我们提出了一种V字型调制结构来作为IMZOm体系的一种基态结构模型（Zigzag调制结构），并且给出了其形成机制。V字型调制结构在其高分辨模拟计算结果中可以被清晰地辨别。该模型可以对已有的各类高分辨实验结果给出很好的解释。基于第一性原理总能计算，本文考察了该体系当前比较有争议的三种模型（平面结构，DYW以及准随机结构）和Zigzag调制结构模型的结构稳定性，给出了各类结构之间的转变机制。结果显示V字型调制结构是相对最为稳定的构型，其不同的构型方式取决于M原子的投影排列方向。满足体系配位数的动力学过程，以及同时保持体系高对称性和近邻In原子间距最大化的要求，是形成该类调制结构的主要机制。同时，统计平衡和热涨落过程使得该体系可以出现多种亚稳态结构。计算结果显示IZOm体系具有多态和准多型的结构特征。
　　基于平面和调制结构模型，本文研究了该体系结构相关的电子结构特征，提出了一种合理计算该类化合物电子结构的修正方法。它们的带隙和有效质量随着m值具有单调递增的趋势。理论计算的带隙变化范围为2.59-3.18eV（m=1-6），与实验结果符合得很好。平面结构体系的电子有效质量表现出显著的各向异性特征，并且随着m值的增大，不同方向有效质量的差异也逐渐变大。这一明显的各向异性特征可以被用来解释该体系电导率各向异性的实验结果。计算结果证实了在IZOm层状结构中存在电子最优化输运通道，它可以有效地将导电电子和散射中心相分离，使其在一定条件下较掺杂ZnO表现出更为优越的电子输运能力，从而有望在光电器件中展现出优异的性能。
　　在此基础上，本文研究了本征及掺杂IZOm纳米带在金属-半导体-金属（MSM）接触结构下的电子输运性质，发现其I-V特性曲线表现出结构相关的非欧姆输运行为。我们首先提出了一种计算模拟MSM结构下半导体纳米线（带）I-V特性曲线的理论方法，从而可以有效地提取其各类电学参数。载流子浓度作为一项重要的参数被引入到电流计算的表达式之中。纳米线的子带结构被同时加以考虑，从而避免了金属电极和纳米线接触面积测量的不确定性，并且可以将其与体系费米能级的位置相关联。MSM结构中的双肖特基势垒对I-V特性曲线具有不同程度的影响。其中，在势垒高度较大并且外加偏压较小时，处于正向偏压的接触势垒具有开启电压的作用；另一方面，处于反向偏压的接触势垒主要控制着实验曲线的线型特征。结果证明相似线型的I-V特性曲线可以通过调节势垒高度或者载流子浓度而得到。基于此，本文给出了不同类型的欧姆-肖特基转变机制，澄清了目前存在的不确定性。
　　将上述方法应用于IZOm纳米带体系，发现上述MSM结构机制和空间电荷限制（SCL）输运机制都无法对其进行合理的解释。本文提出了一种晶体和电子结构相关的基于声子辅助的束缚电子跃迁输运模型，给出了其非线性电流-电压关系式，以及计算其电学参数的方法。上述结果有效地澄清了有大量束缚中心存在的体系和MSM结构对载流子输运的不同影响，推动了其在纳米器件中应用的步伐，并且提供了一种有效的途径来区分一维纳米结构电子器件本征输运特征和电极接触端输运特征的差异。此外，通过测量的实验结果和计算的电学参数可以发现，该类体系具有优异的可调电学性质，可以作为替代In2O3的潜在候选者被广泛应用于柔性和透明光电子及其纳米器件之中。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 InMO3(ZnO)m体系研究现状及分析

1.3 电子结构计算方法

1.4 纳米结构电子输运性质研究方法及分析

1.5 本文的主要研究内容

第2章 In2O3(ZnO)m晶体结构稳定性及形成机制

2.1 引言

2.2 总能计算及参数

2.3 IMZOm体系的调制结构模型和HRTEM模拟结果

2.4 IMZO结构稳定性第一性原理研究

2.5 IZOm结构稳定性和形成机制

2.6 本章小结

第3章 In2O3(ZnO)m电子结构研究

3.1 引言

3.2 电子结构计算与模型

3.3 ZnO和In2O3的电子结构

3.4 IZOm体系的电子结构特征

3.5 本章小结

第4章 一维纳米体系MSM结构输运模型

4.1 引言

4.2 纳米线MSM结构模型

4.3 金属半导体接触端的电子输运特征

4.4 MSM结构下的I-V特性曲线特征

4.5 本章小结

第5章 In2O3(ZnO)m一维纳米结构电子输运性质

5.1 引言

5.2 实验结果及分析

5.3 MSM结构模拟

5.4 SCL输运机制

5.5 声子辅助的束缚电子跃迁输运模型

5.6 本章小结

结论

创新点

展 望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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