新型硅、锗及硅锗异质结纳米线应变效应的第一性原理研究及应用设计

摘要

纳米尺寸的硅锗材料结构，其力学性质、电学性质和力电耦合性质均受到应变效应、界面效应、组分效应、量子限制效应等微观效应的影响。这些微观效应的影响让诸如纳米线、纳米管和纳米膜之类的硅锗纳米材料表现出了优秀的机电特性。本文立足于密度泛函理论，利用VASP（ViennaAb-initio Software Package）软件包对<112>方向硅纳米线、锗纳米线和径向硅锗异质结纳米线进行了第一性原理计算研究，重点研究了不同表面重构、不同硅锗组分、不同异质结结构纳米线的力学性质、电学性质和压阻性质。本文的具体研究内容和所取得的研究结果如下:
　　(1)本文在对表面氢饱和<112>方向硅锗异质结纳米线进行研究时发现，氢饱和处理可以有效的抑制在表面裸露纳米线中起重要作用的界面效应;不同异质结结构的氢饱和<112>方向硅锗异质结纳米线的杨氏模量和超胞长度随硅锗组分变化呈现线性变化;外部应变对氢饱和<112>方向径向异质结纳米线的间接带隙能带和电导率具有一定的调制作用，甚至导致带隙类型变化;氢饱和<112>方向三明治层状硅锗异质结纳米线，由于其界面效应受到氢饱和处理的抑制，使得具有清晰异质结界面的纳米线和具有混合异质结界面的纳米线在应变条件下表现出大小相当的压阻效应;氢饱和<112>方向核壳硅锗异质结纳米线由于核壳结构内部存在的本征应变使得其对不同类型应变的敏感度不同，但也均表现出可观的压阻系数，其中<112>方向Ge2SicoreH核壳纳米线在2.5％拉应变条件下压阻系数高达-116×10-11Pa-1，而Si2GecoreH和Si1GecoreH核壳类型异质结纳米线在2.5％压应变条件下的压阻系数可分别达到23×10-11Pa-1和65×10-11Pa-1;进行N型和P型掺杂的氢饱和<112>方向硅锗异质结纳米线在相应应变条件下同样具有不俗的压阻效应，但是由于氢饱和处理的限制，其压阻特性并不比无掺杂纳米线的压阻特性优越。
　　(2)本文在对表面裸露<112>方向核壳硅锗异质结纳米线进行研究时发现，在裸露<112>方向核壳硅锗异质结纳米线中，杨氏模量和品格常数随硅锗组分变化基本呈现线性变化，且杨氏模量大于等尺寸的氢饱和<112>方向核壳硅锗异质结纳米线，唯有Si1Gecore纳米线由于其锗内核对单层硅外壳的撑裂作用致使其{111}和{110}侧面的表面重构不牢固，纳米线杨氏模量偏小;无应变条件下，Si1Gecore由于特殊的表面重构，其能带结构表现出金属特性，其余纳米线表现出半导体特性;应变条件下，Si1Gecore的电学性质稳定，导电性能良好，Si2Gecor则由于核壳异质结纳米线内部存在的本征应变，在2.5％拉应变下表现出优秀的压阻特性，压阻系数可达260×10-11Pa-1，而Si_pure在2.5％拉应变下压阻系数可达32.7×10-11Pa-1，且随拉应变的增加，仍保留上升空间，Ge_pure纳米线的压阻系数在应变条件下则表现出优秀的稳定性。
　　(3)本文在对新型应变计进行研究时发现，利用硅锗异质结纳米线的超大压阻效应，采用阵列硅锗异质结纳米线作为应变计敏感源，可以有效地提高应变计的灵敏度与精确度，且所设计的新型应变计制备工艺可以与目前主流工艺深入兼容，制备简单可行，具有巨大的应用潜力。
　　总之，硅、锗和硅锗异质结纳米线在应变条件下具有优秀的力电耦合特性，在未来传感器、电子器件等领域具有巨大的应用价值。