低维硅材料表面效应的密度泛函研究

摘要

晶体硅作为当前最重要的半导体材料，在微电子领域和太阳电池领域有着不可替代的应用。然而，由于其间接禁带半导体特性，晶体硅不能高效地发光从而限制了其在光学领域的应用。自20世纪80年代以来，随着纳米科学技术的飞速发展，低维（零维、一维、二维）硅材料正逐渐显示出优异的光电性能，极大地丰富了硅材料在各个领域的应用。
　　其中，硅纳米晶体（零维硅材料）由于量子限域效应，可以在可见光范围内进行有效的光吸收和光发射，从而将晶体硅材料的应用扩展到了生物成像、光敏材料等光学领域。由于量子限域效应，硅纳米晶体的尺寸对其光学性能的影响非常大。另一方面，由于硅纳米晶体比表面积较大，表面效应也会显著影响其光学性能。在实验中，研究者们已经成功对硅纳米晶体进行了氢化硅烷化、硅烷化、烷基化、烷氧基化、胺化等表面改性，并研究了表面改性带来的表面效应对硅纳米晶体光学性能的影响。但是，研究者们对于实验现象的解释缺乏理论支持，表面效应对硅纳米晶体光学性能影响的微观机制却尚不明晰。因此，通过理论计算，从微观机理上讨论表面改性前后硅纳米晶体的电子结构和光学性质，并理解量子限域效应和表面效应对硅纳米晶体性质的影响就变得尤为迫切。
　　硅烯（二维硅材料）是石墨烯的硅对应物，具备与石墨烯相似的狄拉克型电子结构，其布里渊区有六个线性色散的狄拉克锥。因此，硅烯在纳米电子器件中有很大的应用潜力。与传统的硅材料一样，硅烯在制备和应用的过程中会不可避免的氧化，因此必须对其进行表面改性。硅烯由于是单原子层结构，氧化和表面改性带来的表面效应会显著影响其电子、光学性质。因此，通过量子力学计算方法研究氧化及表面改性对其电子结构和光学性能的影响，就成为理解与优化硅烯的氧化及表面改性最迫切的需求。
　　本论文通过密度泛函理论研究了硅纳米晶体和硅烯表面效应对其电子结构和光学性能的影响，取得了以下一系列创新成果:
　　(1)研究了氢钝化的硅纳米晶体表面改性（氢化硅烷化）时的成键状况、碳链的长度、钝化量及所含官能团对硅纳米晶体电子结构和光学性质的影响，并进一步研究了氢化硅烷化硅纳米晶体的氧化行为。研究发现:氢化硅烷化可以增强硅纳米晶体的发光强度;烯烃和炔烃的链长和钝化量对硅纳米晶体激发能和发射能的影响非常小;含-NH2和-C4H3S的烯烃氢化硅烷化会显著降低1.4 nm硅纳米晶体的激发能，但对其发射能的影响非常小。共轭炔烃氢化硅烷化会显著降低硅纳米晶体的激发能和发射能，并提高其发光效率。对于0.8-1.6 nm的烯烃氢化硅烷化的硅纳米晶体，其电子性能主要由量子限域效应决定。对于炔烃氢化硅烷化的硅纳米晶体，在基态时，硅纳米晶体的电子性能仍由量子限域效应决定;而在激发态时，共轭炔烃氢化硅烷化引起的表面化学效应代替量子限域效应决定着硅纳米晶体的电子结构。关于氢化硅烷化硅纳米晶体的氧化行为，我们发现，从热力学角度讲，氢钝化硅纳米晶体比氢化硅烷化硅纳米晶体更容易氧化。对于不同成键类型的氧，形成能以背键氧(BBO)、羟基(OH)、双键氧(DBO)的顺序依次增加。
　　(2)研究了硅烷化、烷化、烷氧基化及胺化这四种表面改性对氯钝化硅纳米晶体电子结构和光学性能的影响。研究发现:这四种表面改性方法中，只有胺化反应显著降低了硅纳米晶体的激发能和发射能。在胺化反应中，胺化物的取代基显著影响硅纳米晶体的的激发能和发射能，而胺化物在硅纳米晶体表面的钝化量对硅纳米晶体的影响非常小。胺化反应带来的表面化学效应显著影响硅纳米晶体的最高占据分子轨道(HOMO)，而硅纳米晶体的最低未占分子轨道(LUMO)能级的变化则取决于其尺寸。对于0.8-1.6 nm的硅纳米晶体，尺寸变化引起的量子限域效应对硅纳米晶体电子结构的影响占主导作用;只有与苯胺反应的硅纳米晶体的尺寸在1.2-1.4 nm范围内变化时，表面化学效应才对其电子结构的影响占主导作用。
　　(3)研究了硅烯氧化物的几何结构、电子性能。研究发现:所有的硅烯氧化物在热力学上都容易形成，并且不会分解。部分氧化的硅烯中硅的价态都是+1，+2或+3价，完全氧化硅烯中硅的价态为+4价。不同氧的成键类型导致硅烯的蜂窝状二维单原子层结构得以保存、扭曲、或者消失。硅烯本来是一种半金属，而硅烯氧化物的电子结构取决于O及OH的成键方式而表现为金属、半金属、半导体或绝缘体。这些结果表明，氧化能够极大地丰富硅烯的电子性能。但呈半导体性的硅烯氧化物中电子和空穴的有效质量增加，载流子迁移率有所下降。
　　(4)研究了氢化硅烷化、烷氧基化、胺化及苯基化这四种表面改性对氢钝化硅烯几何结构、电子和光学性能的影响。结果表明，表面改性会增大氢钝化硅烯的翘曲间距，但对其平面内六元环的几何结构影响较小。表面改性会降低氢钝化硅烯的禁带宽度，其中，烷氧基化和胺化反应使氢钝化硅烯变为直接禁带半导体，而氢化硅烷化和苯基化保持了其间接禁带半导体的特征。

目录

声明

摘要

第一章 低维硅材料简介

1．1 引言

1．2 硅纳米晶体简介

1．2．1 硅纳米晶体合成方法简介

1．2．2 氢钝化硅纳米晶体的表面改性方法

1．2．3 氯钝化硅纳米晶体的表面改性方法

1．3 硅烯简介

1．3．1 硅烯的制备方法简介

1．3．2 硅烯的氯化

1．3．3 氢钝化硅烯的表面改性

1．4 总结

第二章 密度泛函理论简介

2．1 引言

2．2 多粒子体系的从头计算法

2．3 密度泛函理论

2．3．1 密度泛函理论简介

2．3．2 局域密度近似

2．3．3 广义梯度近似

2．4 赝势平面波方法和超软赝势方法

2．5 投影缀加波方法

2．6 本文用到的计算软件简介

2．6．1 Materials Studio

2．6．2 Vienna Ab-initio Simulation Package

2．7 密度泛函研究在低维硅材料中的应用

2．7．1 硅纳米晶体及其表面效应的密度泛函研究

2．7．2 硅烯及其氧化的密度泛函研究

2．8 总结

第三章 氢钝化硅纳米晶体的表面改性

3．1 引言

3．2 计算方法

3．3 氢化硅烷化对1．4nm硅纳米晶体电子、光学性质的影响

3．3．1 计算模型

3．3．2 氢化硅烷化反应的热力学研究

3．3．3 烯烃氧化硅烷化对1．4nm硅纳米晶体电子、光学性质的影响

3．3．4 炔烃氢化硅烷化对1．4nm硅纳米晶体电子、光学性质的影响

3．4 0．8-1．6nm的氢化硅烷化硅纳米晶体的量子限域效应和表面化学效应研究

3．4．1 计算模型

3．4．2 烯烃氢化硅烷化对0．8-1．6nm硅纳米晶体电子性质的影响

3．4．3 炔烃氢化硅烷化对0．8-1．6nm硅纳米晶体电子性质的影响

3．5 氧化对氢化硅烷化硅纳米晶体电子、光学性质的影响

3．5．1 计算模型

3．5．2 氢化硅烷化硅纳米晶体氧化问题的热力学研究

3．5．3 氧化对氢化硅烷化硅纳米晶体电子、光学性质的影响

3．6 本章小结

第四章 氯钝化硅纳米晶体的表面改性

4．1 引言

4．2 模型和计算方法

4．3 结果和讨论

4．3．1 氯钝化硅纳米晶体表面改性的热力学研究

4．3．2 表面改性对0．8nm硅纳米晶体电子性能的影响

4．3．3 胺化反应对0．8nm硅纳米晶体电子性能的影响

4．3．4 表面改性后的0．8-1．6nm硅纳米晶体的量子限域效应和表面化学效应研究

4．4 本章小结

第五章 硅烯的氧化

5．1 引言

5．2 计算方法

5．3 结果和讨论

5．3．1 部分氧化的硅烯

5．3．2 完全氧化的硅烯

5．3．3 硅烯氧化物的计算结果与实验结果的对比分析

5．4 本章小结

第六章 氢钝化硅烯的表面改性

6．1 引言

6．2 模型和计算方法

6．2．1 模型

6．2．2 计算方法

6．3 结果与讨论

6．3．1 氢钝化硅烯表面改性硅烯的热力学研究

6．3．1 氢钝化硅烯及表面改性硅烯的几何结构

6．3．2 氢钝化硅烯及表面改性硅烯的电子结构

6．3．3 氢钝化硅烯和表面改性硅烯的光学性能

6．4 本章小结

第七章 结论

参考文献

致谢

个人简历

攻读学位期间发表的学术论文与取得的其它研究成果