四面體非晶碳及摻雜氮、硼、磷的第一性原理研究.pdf

1、四面體非晶碳具有極其優(yōu)異的物理化學性能：硬度高、楊氏模量高、摩擦系數小、耐磨損、抗化學腐蝕、生物相容性好、光學帶隙寬、紅外透過，因而具有廣闊的應用前景。但是四面體非晶碳的電導率過低，限制了其作為半導體薄膜的應用，因而摻雜氮、硼、磷對其導電性進行改善及制備p型和n型半導體受到了廣泛的關注。目前對摻雜機理的研究非常有限，基礎理論發(fā)展的滯后限制了其應用的步伐，并且實驗上還無法對非晶碳進行原子尺度的研究。本文即通過第一性原理研究非摻雜及摻雜氮、

2、硼、磷四面體非晶碳的顯微結構、電子結構及其相互關系，分析氮、硼、磷的摻雜機理。
　　結構建模采用的是“液體-淬火”方法，模擬過程分為四個部分：自發(fā)熔化過程、液體平衡過程、非平衡冷卻過程和固體平衡過程。采用基于第一性原理的分子動力學方法，得到的結構與實驗吻合良好，比先前的任何模擬結果都更接近于實驗值。
　　在所有模型中，費米能級附近都有電子態(tài)，并且隨著密度增加，費米能級附近電子態(tài)逐漸減少。費米能級附近的電子態(tài)主要是sp2碳原子

3、的貢獻。相比多個原子組成的大環(huán)，在三個原子和四個原子組成的小環(huán)結構中，碳原子σ-σ*躍遷能級降低。缺陷碳原子局域電子態(tài)密度的特征是一個尖峰跨過費米能級。表面費米能級附近的電子態(tài)密度遠高于體結構。
　　氮的配位與密度沒有明顯關系，主要是以三配位存在，其次是兩配位，四配位氮的比例很小。摻氮后碳網絡結構的sp3含量大大降低。通過對電子結構的分析，氮摻入后并未使費米能級發(fā)生明顯移動。兩配位和三配位氮原子以非摻雜形態(tài)存在于碳網絡結構中，起不

4、到n型摻雜的作用，四配位摻雜的氮原子可以起到一定的有效摻雜的作用，但其影響有限，整體來看摻氮后費米能級沒有發(fā)生明顯移動。氮還有一個明顯的副作用，摻氮使碳網絡sp2含量大大增加，這樣帶隙間定域態(tài)被增強，不利于費米能級移動。
　　硼的配位與密度沒有明顯關系，主要以三配位和四配位形式存在，有極少量的五配位原子，其中三配位原子含量略高于四配位原子。四配位硼有兩個摻雜效果，一個是使近鄰及次近鄰缺陷碳原子的電子態(tài)從費米能級向導帶有一微小偏移，

5、位于略高于費米能級處，這樣增強了費米能級附近的定域態(tài)傳導；另一個是使臨近sp3碳原子的電子結構發(fā)生了變化，與非摻雜結構相比，其電子結構呈現明顯的p型摻雜特征。摻硼后費米能級向價帶移動，即硼起到了p型有效摻雜的作用。
　　磷有四種配位，隨著密度的增加，磷原子逐漸從兩配位向五配位過渡。摻磷后費米能級從價帶向導帶移動，這表明摻磷有利于n型半導體摻雜。其摻雜機理是磷在帶隙間產生了分立能級，并且使其臨近碳原子在帶隙間產生了分立能級。其中四配