Ge-SiO-,2-納米鑲嵌薄膜光電性質(zhì)的模擬計(jì)算分析.pdf

1、本論文采用第一性原理分子動(dòng)力學(xué)方法，使用Materals Studio程序中基于密度泛函理論(DFT)的CASTEP模塊，對(duì)Ge、含Ge雜質(zhì)缺陷SiO2及Ge/SiO2納米鑲嵌材料的幾何結(jié)構(gòu)、電子能帶和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　 對(duì)單晶Ge和基質(zhì)材料SiO2晶體進(jìn)行了計(jì)算，分析了得到的晶胞結(jié)構(gòu)、能帶、能量態(tài)密度和光吸收譜。結(jié)果顯示，室溫下單晶Ge光吸收峰在5.0eV處，位于紫外區(qū)域，對(duì)可見(jiàn)區(qū)光吸收較弱：Ge為間接帶隙半導(dǎo)體

2、，帶隙約為0.677eV。SiO2的帶隙約為6.06eV，其導(dǎo)帶態(tài)密度較小，有兩個(gè)光吸收峰值，分別位于12.5eV和16.5eV處，對(duì)0eV～6.5eV能量范圍內(nèi)的光幾乎沒(méi)有吸收?；|(zhì)材料SiO2晶體與單晶Ge的計(jì)算結(jié)果，特別是優(yōu)化后的SiO2與Ge的晶格參數(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，這說(shuō)明本論文所采用的計(jì)算方法的可靠性較高。
　　 建立了SiO2中Ge雜質(zhì)缺陷的結(jié)構(gòu)模型，Ge原予以替位式雜質(zhì)的形式存在于SiO2晶體中，摻雜摩爾比約為

3、2.08％。研究模擬計(jì)算所得到的幾何結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)特征和光學(xué)吸收譜。分析表明，Ge雜質(zhì)缺陷結(jié)構(gòu)吸收譜向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，光吸收強(qiáng)度相對(duì)于SiO2晶體有所減小，但吸收譜整體上變化不明顯。含雜質(zhì)缺陷材料光折射率低于SiO2晶體；Ge原子在SiO2帶隙中引入了很淺的雜質(zhì)能級(jí)，并使SiO2導(dǎo)帶向禁帶內(nèi)延伸，這會(huì)提高SiO2的導(dǎo)電性。Ge-O鍵中的O原子的S軌道對(duì)這個(gè)雜質(zhì)能級(jí)有重要影響。
　　 在方石英SiO2晶體中鑲嵌不同尺寸的納米Ge晶粒

4、，計(jì)算得到鑲嵌Ge3結(jié)構(gòu)和鑲嵌的Ge5結(jié)構(gòu)的禁帶寬度分別為4.1eV、2.7eV。結(jié)果顯示，對(duì)可見(jiàn)光區(qū)的吸收鑲嵌Ge3結(jié)構(gòu)比鑲嵌Ge5結(jié)構(gòu)強(qiáng)，Ge5結(jié)構(gòu)相對(duì)于Ge3結(jié)構(gòu)光吸收邊發(fā)生了藍(lán)移，這與量子限制模型中隨納米晶粒減小，光吸收邊藍(lán)移不同。Ge3和Ge5結(jié)構(gòu)在SiO2帶隙深處費(fèi)米能級(jí)以上約3.2eV處引入了中間能級(jí)，此能級(jí)與導(dǎo)帶底能級(jí)差約為1.9eV。結(jié)果說(shuō)明，超精細(xì)納米Ge結(jié)構(gòu)光學(xué)性質(zhì)主要決定于晶粒界面的Ge-O鍵。實(shí)驗(yàn)中觀察到的Ge

5、/SiO2材料中位于2.1eV的發(fā)光峰可能來(lái)自這種小尺寸Ge晶粒界面的Ge-O鍵。
　　 計(jì)算了SiO2晶體中鑲嵌不同尺寸納米晶Si結(jié)構(gòu)，與納米Ge晶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較討論。結(jié)果表明，Si晶結(jié)構(gòu)中，量子限制效應(yīng)是決定其光學(xué)性質(zhì)的主要因素，而Ge晶結(jié)構(gòu)中，量子限制效應(yīng)不再是決定鑲嵌結(jié)構(gòu)光學(xué)性質(zhì)的主要因素。
　　 綜合對(duì)Ge、含Ge雜質(zhì)缺陷SiO2及Ge/SiO2鑲嵌材料的計(jì)算結(jié)果分析，結(jié)合對(duì)已有Ge/SiO2鑲嵌材料的實(shí)驗(yàn)分析