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纳米体系中的电声子相互作用研究

作　者: 赵亚妮
导　师: 屈世显
学　校: 陕西师范大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 热电子效应一维声子模型第一性原理计算电阻率迁移率
分类号: O469
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

热电子效应是当今凝聚态物理学研究的前沿课题。纳米管是一个非常广泛的结构,其具有独特的力学、光学、和电学性质,研究其中的热电子效应,对于深入理解其物理性质、探索其应用途径都具有重要意义。本文在建立薄圆柱型纳米管模型的基础上,用理论推导的方法,得出了三维电子—一维声子模型中能量转移速率的一般表达式,并将结果应用到碳纳米管上。如今,集成电路和半导体电子器件的尺寸已经越来越小,单位面积上芯片的电子元件密度越来越大,当这些器件缩小到纳米尺度,与尺寸效应相关的研究就显得很重要。本文基于第一性原理计算方法,研究了不同温度时铜的电阻率和半导体硅的迁移率。本文的工作主要有以下三个部分：(1)首先在薄圆柱型纳米管模型中讨论了热电子效应。由于薄圆柱型声子模型中电子的运动为三维,而声子的运动是一维情况,经过研究发现,这种模型中电声子耦合时的能量转移速率和温度的3次方成正比。目前,理论上得出的主要结论是：在电声子耦合中,单位时间内从电子转移到声子上的能量和温度的n次方成正比,其中n=D+2,D为声子的维数。我们的结论和已知的研究结果相符合。(2)基于第一性原理输运方法,本文计算了不同温度是块体铜和铜膜的电阻率。通过研究可以发现,铜的尺寸越小,尺寸效应会导致电阻率的增加。为了研究表面振动对电阻率的影响,考虑了三种不用的表面振动模式,计算结果表明,高温时表面原子振动对电阻率的影响极大,而且当铜膜很薄时,考虑表面振动后,电阻率随温度不再是线性变化。本节的研究还表明,抑制表面原子的振动,是一种减小电阻率的有效办法。(3)在第一性原理的框架内,探索研究了半导体硅掺杂不同杂质(P型半导体或N型半导体)时,沿不同晶格方向的迁移率。本节通过移动费米面来实现掺杂不同浓度的载流子,计算结果表明,由于电子的有效质量比空穴的有效质量轻,所以N型半导体的迁移率大约是P型的2-3倍。不同晶格方向时,载流子的迁移率也有所不同,无论是电子还是空穴,其沿<110>方向的迁移率大于其他方向。本文的结论和实验结果相符。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
第1章引言  7-13
  1.1 纳米科技简介  7-10
    1.1.1 富勒烯  8
    1.1.2 碳纳米管  8-9
    1.1.3 单层石墨片  9-10
  1.2 热电子效应简介  10-11
  1.3 密度泛函理论  11-12
  1.4 本论文的结构  12-13
第2章圆柱形纳米管中的热电子效应  13-29
  2.1 背景和研究方法  13-14
  2.2 三维电子和一维声子间能量转移速率的一般表达式  14-18
  2.3 圆柱形碳纳米管声子模型  18-20
  2.4 声子局域态密度  20-23
    2.4.1 扭转模式的态密度  20-21
    2.4.2 呼吸模式的态密度  21-22
    2.4.3 弯曲模式的态密度  22-23
  2.5 薄圆柱形碳纳米管中的电声子转移速率  23-26
  2.6 本章小结  26-29
第3章高温时表面原子振动对Cu膜电阻率的影响  29-43
  3.1 背景和研究方法  29-30
  3.2 DFT方法简介  30-34
    3.2.1 TB-LMTO的哈密顿量和KKR方程  31-32
    3.2.2 电极里和散射区的波函数求解  32-34
    3.2.3 界面电阻的计算公式  34
  3.3 原子热振动的结构  34-36
  3.4 块体Cu的计算结果  36-38
  3.5 Cu膜的电阻率  38-41
  3.6 本章小结  41-43
第4章硅的迁移率  43-57
  4.1 背景和研究方法  43-44
  4.2 半导体的迁移率  44-48
    4.2.1 费米面和半导体  44-46
    4.2.2 迁移率的一般表达式  46-48
  4.3 不同晶格方向的硅的迁移率  48-55
    4.3.1 方向的电阻率  50-51
    4.3.2 方向的迁移率  51-54
    4.3.3 方向的迁移率  54-55
  4.4 本章小结  55-57
第5章总结与展望  57-59
参考文献  59-65
致谢  65-67
攻读硕士期间研究成果  67-68

纳米体系中的电声子相互作用研究

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