硅/锗异质结纳米线的结构和电子特性研究

摘要

由于半导体纳米线具有许多与体材料完全不同的优异特性，因此它在微电子器件领域产生了越来越大的影响。本文基于第一性原理计算软件CASTEP主要研究了硅纳米线、锗纳米线及硅/锗核壳结构异质结纳米线，在理论层次上对其电子特性进行探索性研究，为今后纳米级器件的研制提供了一定的理论依据。 首先，本文分析了硅纳米线表面悬挂键对电子特性的影响，发现用氢原子饱和表面悬挂键可以消除由悬挂键引起的表面态对电子特性的影响。在此基础上对氢饱和硅纳米线的能带结构，态密度等进行了详细分析，发现直径在1.3nm以下的硅纳米线为直接带隙半导体，禁带宽度明显大于体硅，能带结构与纳米线直径及方向相关联。使用磷原子(硼原子)对(001)方向1.1nm直径的硅纳米线进行了N(P)型掺杂，初步探索了掺杂对硅纳米线电子特性的影响，发现N(P)型掺杂使导(价)带进入到费米能级之下(上)，并且使得禁带宽度变窄。 其次，作为与硅纳米线的对比和研究硅/锗异质结纳米线的基础，本文研究了锗纳米线的电子特性，结果表明，在直径不超过1.3nm的情况下，(001)和(110)方向的锗纳米线为直接带隙半导体，(111)方向的锗纳米线为间接带隙半导体，禁带宽度明显大于体锗，能带结构同样受到纳米线直径和方向的影响。掺杂对锗纳米线的影响与硅纳米线相似。 最后，在纯硅和纯锗纳米线的基础上，研究了(001)方向的硅/锗核壳结构异质结纳米线的结构和电子特性，研究发现无论是硅核锗壳结构还是锗核硅壳结构，硅原子均产生了张应变，锗原子则产生了压应变，在异质结界面处应变最大，并且应变受直径大小和核壳直径比影响。能带和态密度研究则表明1.3nm直径以下的硅/锗核壳结构纳米线都是直接带隙半导体，直径大小对能带结构影响较大，核壳直径比对能带结构影响较小。带偏计算和轨道分析及布居分析发现，在硅核锗壳(锗核硅壳)结构中核区对导带底(价带顶)的电子(空穴)产生了量子限制作用，量子限制作用的大小与纳米线直径和核壳直径比有关，这样的作用可以通过纳米线的调制掺杂将电离杂质和载流子从空间上分离，从而减少载流子的电离杂质散射，有效提高载流子的迁移率，使硅/锗核壳纳米线在光电子和微电子高速器件研究领域有更广泛的应用前景。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究方法

1.2硅、锗纳米线及硅锗核壳异质结纳米线的研究现状

1.3本文工作

第二章 第一性原理

2.1 第一性原理概述

2.2薛定谔方程

2.2.1 非相对论近似

2.2.2 绝热近似

2.2.3 轨道近似

2.3密度泛函理论

2.4分子轨道展开

2.5基组与赝势

2.5.1 基组

2.5.2 赝势

2.6分子轨道的自恰求解

2.7第一性原理计算软件

第三章 硅纳米线的电子特性研究

3.1体硅结构与电子特性

3.2表面态对硅纳米线的影响

3.3氢饱和硅纳米线的电子特性

3.3.1直径大小对氢饱和硅纳米线电子特性的影响

3.3.2方向性对氢饱和硅纳米线电子特性的影响

3.4掺杂对氢饱和硅纳米线电子特性的影响

3.4.1掺杂磷原子对硅纳米线电子特性的影响

3.4.2掺杂硼原子对硅纳米线电子特性的影响

第四章 锗纳米线的电子特性研究

4.1体锗结构

4.2氢饱和锗纳米线的电子特性

4.2.1直径大小对氢饱和锗纳米线电子特性的影响

4.2.2方向性对氢饱和锗纳米线电子特性的影响

4.3掺杂对氢饱和锗纳米线电子特性的影响

4.3.1掺杂磷原子对锗纳米线电子特性的影响

4.3.2掺杂硼原子对锗纳米线电子特性的影响

第五章 硅/锗异质结纳米线的电子特性研究

5.1硅/锗异质结纳米线的结构

5.2硅/锗异质结纳米线的电子特性

5.2.1锗核硅壳结构纳米线电子特性

5.2.2硅核锗壳结构纳米线电子特性

5.3带偏计算

第六章 结论

致 谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果