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Bi_2Se_3晶体p-型掺杂的第一性计算及其制备研究

作　者: 梁毅
导　师: 李美成
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料科学与工程
关键词: 硒化铋 第一性原理计算 p-型掺杂
分类号: TN304.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


作为一种传统的热电材料,Bi2Se3是目前为止发现的带隙最大的拓扑绝缘体（其带隙约为0.3eV）,在无能耗电子器件和量子计算上有着广泛的潜在应用。但未掺杂的Bi2Se3是n-型材料。无论作为热电材料,还是作为拓扑绝缘体应用,都有必要对Bi2Se3的p-型掺杂进行深入研究。本文采用第一性原理的方法研究了Bi2Se3的电子结构、本征缺陷及Ca和Mg的掺杂作用。重点对p-型掺杂效果及实现进行了系统分析,并采用熔融法制备了Bi2Se3及Mg掺杂Bi2Se3材料。首先,利用QUANTUM-ESPRESSO软件包,在对库伦场中全电子轨道波函数分析的基础上,生成了Mg、Se、Bi的模守恒赝势。在生成赝势时,Mg、Se、Bi参考组态分别为[Ne]3s2、[Ar]3d104s24p4、[Xe]4f14 5d10 6s2 6p3,仅将最外层电子作为价电子,所用的交换关联能为PW91型局域密度近似或PBE型局域密度近似。Mg、Se、Bi的单质和化合物的晶格晶胞参数和能带计算结果表明,所生成的Mg、Se赝势具有较高精度;Bi的5d电子对计算结果有较大影响。其次,我们计算了Bi2Se3的本征缺陷形成能,研究结果表明:反位缺陷BiSe不可能形成;而SeBi的形成能为负,Se空位形成能为0.057Ry,这说明自然生长所得Bi2Se3的n型特征是由SeBi和VSe共同产生的。而实验制得的Bi2Se3中Bi含量偏高,因此,材料中还应含有大量的Bi的面缺陷。然后,我们研究了Ca、Mg对Bi2Se3的掺杂的效果。计算了Ca、Mg取代Bi、Se的替位式缺陷XBiq、XSeq （X:Ca,Mg; q=0,-1,-2）的形成能以及Ca、Mg掺入在五原子层的层间间隙的形成能,研究得到XBiq（X:Ca,Mg; q=0,-1,-2）的形成能小于-1.8Ry,而其它缺陷形成能均大于零,这一结果表明Ca、Mg能对Bi2Se3实现p型掺杂。进一步比较Ca、Mg的各缺陷形成能的大小,我们发现Ca的掺杂效果要好于Mg的掺杂效果。最后,我们采用熔融法尝试制备了Mg掺杂的Bi2Se3材料Bi2-xMgxSe3（x=0,0.05）,发现熔融法制备Bi2Se3晶体时,石英管轴向温度梯度可以提高样品中Se含量。采用一定方法,从样品中分离出了一些具有层状结构的薄片,经X射线衍射分析这些薄片没有完好结晶形成单晶,进一步的工艺优化及其后续研究工作可以更加深入地展开。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-18
  1.1 研究目的与意义  8-9
  1.2 半导体中缺陷及研究方法  9-14
    1.2.1 半导体中缺陷  9-11
    1.2.2 点缺陷实验检测手段  11-12
    1.2.3 点缺陷的第一性原理研究方法  12-14
  1.3 Bi_2Se_3 的p-型掺杂研究进展  14-18
第2章 多电子体系电子结构计算理论  18-26
  2.1 引言  18
  2.2 绝热近似  18-19
  2.3 密度泛函理论  19-23
    2.3.1 从波函数到电子密度  19-20
    2.3.2 Hohenberg-Kohn 定理：多体理论  20
    2.3.3 Kohn-Sham 方程：有效单体理论  20-22
    2.3.4 局域密度近似（LDA）与广义梯度近似（GGA）  22-23
  2.4 赝势  23-26
    2.4.1 模守恒赝势  24-25
    2.4.2 超软赝势  25-26
第3章 赝势生成及检验  26-37
  3.1 赝势生成方法  26-27
  3.2 Mg PBE-GGA 型赝势  27-30
    3.2.1 赝势生成  27
    3.2.2 赝势检验  27-30
  3.3 Bi, Se 赝势  30-35
    3.3.1 Bi、Se 赝势生成  30-31
    3.3.2 Se 赝势的检验  31-32
    3.3.3 Bi 赝势的检验  32-35
  3.4 本章小结  35-37
第4章 Bi_2Se_3的本征缺陷及掺杂  37-49
  4.1 引言  37-38
  4.2 计算模型  38
  4.3 计算细节  38-40
  4.4 Bi_2Se_3 的本征缺陷  40-42
    4.4.1 Bi 和Se 化学势变化范围  40-41
    4.4.2 计算结果与讨论  41-42
  4.5 Ca 对Bi_2Se_3 的掺杂  42-46
    4.5.1 Ca、Se、Bi 化学势变化范围  42-43
    4.5.2 Ca 掺入Bi_2Se_3 的缺陷形成能  43-46
  4.6 Mg 掺杂Bi_2Se_3  46-48
    4.6.1 Mg、Se、Bi 化学势的范围  46
    4.6.2 Mg 掺入Bi_2Se_3 的形成能  46-48
  4.7 本章小结  48-49
第5章 Bi_2Se_3晶体及Mg 掺杂Bi_2Se_3晶体的制备尝试  49-54
  5.1 Bi_2Se_3 晶体生长方法  49-50
  5.2 实验设备与生长工艺  50-51
  5.3 实验结果与讨论  51-53
  5.4 本章小结  53-54
结论  54-55
参考文献  55-60
致谢  60

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 一般性问题 > 材料 > 化合物半导体
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