硅锗异质结纳米线、硅纳米管力电耦合性质的研究

摘要

纳米线（管）因受表面效应、量子尺寸效应等微观效应的影响而具有奇特的力学、电学以及力电耦合性质，并成为未来最有潜力的纳米电子器件的制作材料，从而被国际国内的科研工作者广泛关注。作为非极性材料，硅纳米线（管）的力电耦合性质主要表现为压阻效应。本文采用基于密度泛函理论的ViennaAb-initioSoftwarePackage(VASP)对硅纳米线（管）的电子结构、力学以及压阻性质进行了研究。硅锗异质结纳米线有着比纯硅（锗）纳米线更丰富的物理特性。因此，本文也对硅锗径向异质结纳米线（即:核壳纳米线）和轴向异质结纳米线（简称:异质结纳米线）的电子结构、力学以及压阻性质进行了研究。本文的具体研究内容和所取得的研究结果如下:
　　(1)本文将压应变取为负，拉应变取为正。随着应变的减小，单胞含74个原子的硅<111>纳米线费米能级附近的轻空穴带上升，重空穴带下降，使得重空穴带中的空穴向轻空穴带转移，转移部分的空穴有效质量减小，从而导致了压阻效应的产生。计算得到在0.025应变下纳米线的压阻系数为41.3×10-11Pa-1。通过对<111>方向单胞含74个原子的锗纳米线、硅/锗、锗/硅核壳纳米线的研究发现:杨氏模量随着纳米线中硅组分的增加而线性增加;锗纳米线、硅/锗、锗/硅核壳纳米线的压阻系数绝对值均小于具有相同原子数的硅<111>纳米线。锗纳米线压阻系数受应变的影响较小。
　　(2)研究发现随着<111>方向Si13Ge61、Si25Ge49、Si37Ge37、Si61Ge13异质结纳米线中硅组分的增加，杨氏模量线性增加，而Si49Ge25的杨氏模量明显小于以上各模型。这主要归因于Si49Ge25的表面重构明显不同于以上各模型。有着混合界面的Si13Ge61、Si37Ge37、Si61Ge13纳米线均具有金属属性，且压阻系数较小。而有着清晰界面的Si25Ge49、Si49Ge25纳米线均属于窄带隙半导体结构，其中Si25Ge49纳米线是间接带隙半导体，而Si49Ge25纳米线则是直接带隙半导体;具有清晰界面的两个硅锗异质结纳米线均具有较大的压阻系数:在-0.025应变下，Si25Ge49纳米线的压阻系数为-42.7×10-11Pa-1，Si49Ge25纳米线的压阻系数为-98.6×10-11P-1。
　　(3)随着直径的减小，氢饱和硅<111>纳米线能带带隙逐渐变大，杨氏模量逐渐减小;对于管壁厚度保持不变的氢饱和硅<111>、<110>纳米管，它们的能带带隙以及杨氏模量都不随着纳米管外（内）径的变小而发生显著变化，均保持一定的值。无论是氢饱和硅<111>纳米线还是氢饱和硅<111>、<100>纳米管，压应变下n型结构的压阻效应均比压应变下p型以及拉应变下n型、p型的同一结构显著得多。氢饱和硅<111>纳米线和纳米管的压阻系数在-0.025应变下分别为17.9×10-11Pa-1、-36.9×10-11Pa-1，而氢饱和硅<100>纳米管在-0.025应变下的压阻系数高达-98.4×10-11Pa-1。因此，氢饱和n型硅<100>纳米管更适合做压阻传感器。