半导体硅和硫化锌的位错芯结构的理论研究

摘要

结构决定功能，硅和硫化锌的结构决定了他们具有一定的导电性，只是其导电性并没有金属强，但是随着温度的升高，硅和硫化锌的导电性会增强，所以它们具有半导体的性质。他们的主要用途是用来制作半导体器件、耐高温材料、通信材料、电子和光电子器件等等，被广泛应用于航空航天、医疗等行业。虽然近几年来，二维材料备受关注，并且拥有广阔的应用前景，但其还不能完全取代传统三维材料的地位。在实际应用中，硅和硫化锌材料所处的环境不可能保持不变，而在不同的环境下，有关硅材料的脆性与韧性之间的转化问题，以及无机半导体硫化锌的塑性问题一直是研究的重点。由于硅和闪锌矿结构的硫化锌都是金刚石结构晶体，包含两套面心立方晶格，在{111}面上存在两种不同类型的滑移系统，即glide和shuffle层滑移。本文主要应用改进后的Peierls模型分别研究了硅和硫化锌中的位错芯结构。主要内容有：　　(1)半导体硅中的部分位错　　考虑实验观察到的在高温的条件下，硅的glide层位错在塑性形变中占主导地位，那么，在脆性和韧性转化的温度下，仍然存在这样一个问题，那就是，是否存在位错从一种滑移层转化成，或者是转化到另一种滑移层的情况，并且这之间如何转化，是一直存在的难题。　　在过去的几十年里，研究者们提出了很多可能的方案来解释硅中位错的特性以及它们在脆性和韧性转化中的作用，并且与可靠的实验结果以及理论结果进行对比和讨论，在这些给定的知识状态下，依然很难就此问题得出明确的结论，还需要进一步的研究，以更好地理解原子尺度的位错结构与其运动之间的关系。在现在的技术条件下，还没有办法实现从原子尺度上观察到位错的运动，而理论预测一直是常用的手段。其中 Peierls 模型是研究位错结构的最理想模型[1]，对位错宽度较宽的位错具有很好的适用性，但是硅中的部分位错宽度很窄，离散效应影响较大[2]，所以需要用更符合实际材料的全离散Peierls模型。　　我们在之前的研究工作中发现[3]，硅的90°部分位错的两种芯重构结构分别可以由理论预测的结果得到。基于该种情况，我们同时也从理论上预测出硅的 30°部分位错的另一种芯重构结构，并且由新的芯重构结构得出 30°部分位错的部分kink，从而找到 kink 运动的能量可能最小路径。后续工作中期望能从原子模拟上对该路径进行研究。　　(2)半导体硅中的螺位错　　大多数关于金刚石立方材料的实验和理论研究都以硅为模型，在高温条件下，也就是在韧性区域中，大多数研究都倾向于分解的螺位错（分解成两个30°部分位错）和分解的 60°位错（分解成一个 30°部分位错和一个 90°部分位错）来决定硅的塑性，其中 30°部分位错相比 90°部分位错来说，并没有那么容易移动[4]，所以认为在高温条件下，硅的塑性主要由30°部分位错来决定。但是在低温条件下，也就是在脆性区域内，有关位错的影响就没有那么明朗。事实上，在压力限制试验中进行的变形实验表明，位错在低温条件下不会分解，并且发现很多种方向的位错，比如30°位错，螺位错，60°位错，甚至还有没有研究过的41°位错。而且这些位错是在glide层还是shuffle层，还不能确定，尽管人们普遍认为这些属于shuffle层位错。　　为了了解glide和shuffle层位错在塑性变形过程中各自的作用，最重要的是要研究这些位错的运动问题。简单的从几何角度来讲，shuffle层的位错比glide层上的位错要容易运动，因为它在运动的过程中，只需要破坏一个共价键，而glide层的位错则需要破坏三个共价键。而且这一结论也通过计算 Peierls 应力得以证实，即glide层位错的Peierls应力比shuffle层位错的要大得多，其中分解后的glide层位错的Peierls应力比没有分解的shuffle层位错的Peierls应力大一个数量级。但是，在最近的有关未分解的位错的 Peierls 应力的研究中，得出的结论的范围已超出了误差范围[2, 5-8]，其中的原因可能是没有明确指出未分解的位错是平面位错还是非平面位错。为了解决这一问题，本文在之前研究过的体心立方结构非平面螺位错的基础上[9, 10]，运用单位长度位错与位错之间的相互作用能的公式[1]，推导出等价滑移面呈现任意夹角的四叶结构位错方程，并得出位错芯结构以及相关应力场和位移场。　　(3)闪锌矿结构的硫化锌中的位错　　无机半导体通常容易脆，但是最近 Oshima 等人发现，在完全黑暗的条件下，闪锌矿结构的半导体硫化锌具有超乎寻常的塑性[11]。他们在不同的光照条件下进行硫化锌（ZnS）的室温变形试验，发现硫化锌晶体在光照射下变形时立即断裂。相反，发现在完全黑暗中硫化锌晶体可以塑性变形直至应变为et= 45％。此外，变形后的硫化锌晶体的光学带隙明显减小。这些结果表明，硫化锌中的位错在完全黑暗中变得可移动，并且倍增的位错会影响整个晶体上的光学带隙，说明无机半导体本质上不一定是脆性的。　　在Oshima等人的研究中，通过对硫化锌晶体进行均匀变形来测量其形变对光学带隙的影响。得出，堆垛层错本身不会导致变形的硫化锌的光学带隙减小，而部分位错可以在位错芯周围具有大大减小的带隙。而目前的计算没有明确地处理实际的位错芯结构，但部分位错芯的这种特定电子结构可能对变形的硫化锌样品的带隙以及颜色产生强烈影响，特别是随着位错密度的增加，这种影响越强烈。　　本文应用全离散 Peierls 模型，并结合密度泛函理论的第一性原理计算，得出闪锌矿结构的硫化锌晶体的glide部分位错的位错芯结构，发现其90°和30°部分位错都存在四种不同的平衡芯结构，并用理论和模拟计算分别算出其对应的 Peierls势垒和Peierls应力，发现90°部分位错的B-S芯结构的Peierls势垒（800 MPa）与Oshima等人的实验结果相符合，该芯结构可能与硫化锌晶体在黑暗环境下超常形变有关。

目录

1 绪 论

1.1 前言

1.2 Peierls模型

1.2.1 全离散Peierls模型的提出

1.2.2 γ-势的提出

1.3 半导体硅中的位错

1.3.1 90°部分位错

1.3.2 30°部分位错

1.3.3 Kink

1.3.4 螺位错

1.4 半导体硫化锌中的位错

1.5 模拟计算简介

1.5.1 电子密度泛函理论

1.5.2 经典分子动力学

1.6.1 本文的研究目的

1.6.2 本文的研究内容

2 半导体硅中的部分位错

2.1 引言

2.2.1 部分位错γ-势与位错方程

2.2.2 位错方程的试探解

2.2.3 应力场和应变场

2.3 部分位错芯结构

2.3.1 理论预测的芯结构

2.3.2 芯重构后的结构

2.4.1 Kink与部分kink

2.4.2 位错的运动

2.4.3 477-芯结构的稳定性

2.5 本章小结

3 半导体硅中的螺位错

3.1 引言

3.2.1 全位错γ-势

3.2.2 螺分量能量泛函

3.2.3 刃分量能量泛函

3.2.4 位错方程

3.3.1 平衡芯结构及其能量

3.3.2 应力场

3.3.3 位移场

3.4 本章小结

4 半导体硫化锌中的位错

4.1 引言

4.2.1γ-势和位错方程

4.2.2 理论预测Peierls势垒和Peierls应力

4.3.1 位错芯结构

4.3.2 模拟计算Peierls势垒和Peierls应力

4.3.3 Kink与部分kink

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 本文的主要结论与创新点

5.2 后续研究工作的展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的学术论文

B. 作者在攻读博士学位期间参加的学术会议

C. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目

E. 学位论文数据集

致谢