半导体纳米线表面结构与热稳定性的分子动力学研究

摘要

半导体纳米线是最近几年来纳米科技、凝聚态物理研究中最为热门的课题之一。它具有优越的物理性能，是构造纳米尺度元器件如激光器、探测器、传感器、场效应晶体管、发光二极管、逻辑电路、自旋电子器件以及量子计算机等的结构单元；半导体纳米线还可以用来连接各种纳米器件；通过对半导体纳米线的深入研究，有可能在单一纳米线上实现具有复杂功能的电子和自旋信息处理器件。
　　 半导体纳米线极大的表面-容积比决定了纳米线的物理性质取决于纳米线的表面结构。目前，人们对半导体纳米线表面结构的认识非常有限，各国科研人员正在以极大的热情，采用各种各样的方法和手段（包括里理论和实验方法）投入到半导体纳米线的结构研究当中。对半导体纳米线的理论研究主要采用第一性原理。虽然第一性原理研究从原理上说计算的结果精确度高，但以目前计算机的计算能力，它所能够模拟的体系非常小，与真实稳定的纳米线相距甚远；而且,第一性原理计算难以处理纳米线的热稳定性问题。正是由于第一性原理计算尚不能有效地处理半径在纳米尺度内的半导体线,而实验上又难以获得清楚的纯半导体纳米线的原子结构信息，我们采用基于半经典经验作用势的分子动力学模拟来研究半导体纳米线的表面结构及热稳定性。由于经验势的使用，分子动力学模拟可以对成百上千个原子的体系进行长时间模拟退火处理,从而可以揭示出稳定的纳米线结构及其热熔化特征。
　　 全文分为六章。第一章是本文的引言。第二章阐述了分子动力学方法的基本原理和应用。第三章介绍本论文要用到的原子间相互作用势。第四章用分子动力学方法及模拟退火技术研究了轴向是[110]方向的纯硅和锗纳米线（100）表面的结构。研究表明，硅和锗线的(110)面没有表面重构现象发生，而(100)面产生对称的2x1 二聚化重构；且两个（100）表面的二聚化原子对阵列要么平行要么垂直线轴方向；（100）表面的硅和锗二聚原子对的键长分别是0.236nm和0.249nm。第五章我们研究了外加应力对纳米线表面结构的影响，发现不同的应力可使硅纳米线具有不同的表面结构。第六章我们对硅纳米线的熔化研究表明纳米线的熔点低于其块体的熔点及同一轴向的纳米线随着直径的增大熔点不断上升的。最后我们对本文的工作做了一个简单的总结与展望。