硅納米晶體的鹵素雜質(zhì)研究.pdf

1、硅納米晶體具有獨(dú)特的電子和光學(xué)性質(zhì)，已逐漸成為研究熱點(diǎn)之一，在微電子、光電子、光伏、熱電、生物影像等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。硅納米晶體的電子光學(xué)性質(zhì)受到量子限域效應(yīng)和表面化學(xué)的影響。量子限域效應(yīng)的作用已經(jīng)在很多理論和實(shí)驗(yàn)工作中得到驗(yàn)證。而表面化學(xué)的作用與納米晶體中的雜質(zhì)密切相關(guān)。在硅納米晶體的制備和表面改性等實(shí)驗(yàn)工作中，常常會(huì)引入鹵素雜質(zhì)，它們對(duì)納米晶體的性質(zhì)影響明顯。所以利用基于第一性原理的密度泛函計(jì)算方法，從理論上研究鹵素雜質(zhì)引入到

2、硅納米晶體之后材料電子光學(xué)性質(zhì)的改變，進(jìn)一步理解量子限域效應(yīng)和表面化學(xué)對(duì)硅納米晶體的影響就變得很有意義。
　　 本論文基于密度泛函理論，研究了含鹵素雜質(zhì)的硅納米晶體的電子光學(xué)性質(zhì)，并取得了如下一系列的創(chuàng)新結(jié)果。
　　 (1)研究了在硅納米晶體不同位置引入不同含量的氯原子之后，硅納米晶體幾何結(jié)構(gòu)、形成能、能帶分布、激發(fā)能、發(fā)射能、復(fù)合速率等電子光學(xué)性質(zhì)的變化。通過比較納米晶體的形成能發(fā)現(xiàn)，硅納米晶體中引入一個(gè)氯原子時(shí)，氯原

3、子更傾向于位于晶體表面成單鍵態(tài)而很難進(jìn)入體內(nèi)。在硅納米晶的合成過程中，若氯的化學(xué)勢很低，則更易得到完全氫鈍化的硅納米晶體；若氯的化學(xué)勢較高則氫和氯共鈍化的硅納米晶體更易形成。高鈍化量的硅納米晶體表面結(jié)構(gòu)畸變明顯，晶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。隨著氯鈍化量的增加，硅納米晶體的激發(fā)能和發(fā)射能均明顯減小。含有氯雜質(zhì)的硅納米晶體的帶邊輻射復(fù)合速率比完全氫鈍化的硅納米晶體更高。
　　 (2)比較研究量子限域效應(yīng)和表面化學(xué)在含氟雜質(zhì)的硅納米晶體中的作用。

4、發(fā)現(xiàn)一定尺寸的硅納米晶體，隨著氟雜質(zhì)鈍化量的增加，表面化學(xué)的作用增強(qiáng)，導(dǎo)致晶體幾何結(jié)構(gòu)畸變?cè)黾?，能帶分布改變，激發(fā)能和發(fā)射能下降，復(fù)合速率先增加后減小。對(duì)于小尺寸的硅納米晶體，量子限域效應(yīng)的作用占主導(dǎo)。對(duì)于大尺寸的硅納米晶體，高鈍化量下(＞50％)表面化學(xué)卻可以超過量子限域效應(yīng)決定硅納米晶體電子光學(xué)性質(zhì)。不同尺寸的硅納米晶體，隨著氟雜質(zhì)鈍化量的增加，復(fù)合速率均先增加后減小。
　　 (3)研究了不同的鹵素雜質(zhì)引入到硅納米晶體后，納

5、米晶體電子光學(xué)性質(zhì)的變化，包括幾何結(jié)構(gòu)、能帶分布、激發(fā)能、發(fā)射能、復(fù)合速率等，得到以下結(jié)論：較低鹵素雜質(zhì)鈍化量下，硅納米晶體的晶體結(jié)構(gòu)變化較??；鈍化量增加結(jié)構(gòu)畸變?cè)絹碓矫黠@，并且引入的雜質(zhì)原子半徑增加(電負(fù)性減小)，納米晶體結(jié)構(gòu)畸變大，并導(dǎo)致計(jì)算難以收斂。納米晶體形成能隨著鈍化量的增加而減小，不同電負(fù)性的原子對(duì)形成能的影響不同。硅納米晶體的能級(jí)分布和能量帶隙均明顯受鈍化量和元素種類的影響：隨著鈍化量的增加或者雜質(zhì)原子電負(fù)性的降低，不同硅