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半导体材料带隙宽度的尺寸和温度效应研究

作　者: 陈玉明
导　师: 孙长庆
学　校: 湘潭大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 半导体材料带隙宽度断键理论尺寸效应温度效应
分类号: TN304
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 31次
引　用: 2次
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内容摘要

近几十年来,随着半导体材料尺寸的减小,许多的实验研究发现纳米半导体材料出现了完全不同于传统块体材料的很多新颖性能。为了研究这些新颖性能,科研工作者们提出了很多经典理论如连续介质力学和量子近似理论。但是由于纳米材料的边缘效应,这些理论在解释材料新颖性能的物理机制都遇到了极大的困难。因此,从物理机制上理解和预测纳米半导体材料的尺寸和温度产生的应变对其光电性能的影响是一个具有挑战性的工作。由于纳米材料表面大量的低配位原子和它们之间的相互作用,使得其性能完全不同于块体材料。最近提出的键序-键长-键强(BOLS)理论,提出了纳米材料尺寸效应主要是表面低配位原子的相互作用引起的,其中心思想是低配位原子间键变短变强。这使得纳米材料的表面区域产生局域应变和能量钉扎,因此修正原子结合能、哈密顿量等。将BOLS理论发展到温度场,提出局域键平均近似(LBA),核心思想包括:(1)纳米材料的全部或者局部是可以由材料的典型键来表述;(2)样品的可测量可以通过可测量和典型键的键性质参数(键序、键型、键长和键强)的关系获得,外加因素对键性质参数的影响是确定的。本文研究了半导体材料(IV族Si和Ge,III-V族GaN和AlN,II-VI族ZnSe、ZnS和ZnO)带隙宽度随尺寸和温度的变化关系。主要结果为:(1)比表面积主导尺寸效应的变化趋势;(2)表层原子对带隙宽度的尺寸效应起主要作用;(3)纳米材料的带隙宽度的尺寸效应源自表面效应和表面键长收缩和键能增加;(4)带隙宽度随温度增加而减小的原因主要是由于温度增加时伴随着键长增大,键能减小。理论研究表明,半导体纳米材料的带隙宽度与其键性质(键序、键长、键强、键的属性)有着密切的关系。理论预测与实验测量的一致性证明:如果一个键断裂,则低配位原子的剩余键将变短变强,伴随着产生局域应变和近肤能量钉扎,也修正结合能密度和内能,而这正是尺寸改变纳米材料力学和热学特性的原因。因此BOLS理论和LBA近似理论是连接宏观理论方法与微观理论方法的桥梁。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章绪论  9-15
  1.1 半导体材料的发展  9
  1.2 半导体材料的特点及应用  9-11
  1.3 半导体材料的禁带宽度  11-13
  1.4 研究的挑战  13-14
  1.5 本论文的研究意义及主要内容  14-15
第2章基本原理  15-24
  2.1 引言  15
  2.2 BOLS 关联机制  15-21
    2.2.1 晶格周期效应  15-16
    2.2.2 势阱修正  16-17
    2.2.3 BOLS 的数学表达式  17-21
  2.3 局域键平均近似理论  21-23
    2.3.1 经典近似和量子近似的局限性  21
    2.3.2 局域键平均近似的数学表达  21-23
  2.4 本章小结  23-24
第3章半导体材料带隙宽度的尺寸和温度效应  24-37
  3.1 引言  24
  3.2 带隙宽度  24-29
    3.2.1 带隙宽度的实验测量方法  24-26
    3.2.2 半导体材料带隙宽度的尺寸效应研究现状  26-27
    3.2.3 半导体材料带隙宽度温度效应的研究现状  27-29
  3.3 理论原理  29-30
  3.4 结果与分析  30-36
    3.4.1 带隙宽度的尺寸效应  30-33
    3.4.2 带隙宽度的温度效应  33-36
    3.4.3 结论  36
  3.5 本章小结  36-37
第4章工作总结与展望  37-39
  4.1 工作总结  37-38
  4.2 工作展望  38-39
参考文献  39-44
致谢  44-45
个人简历和在学期间发表的学术论文与研究成果  45

半导体材料带隙宽度的尺寸和温度效应研究

内容摘要

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