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半导体掺杂和表面若干稳定结构及其性质

作　者: 周昌杰
导　师: 康俊勇
学　校: 厦门大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: ZnO p型掺杂极性表面能带结构 Si(111)-(7×7) 纳米团簇扫描隧道显微镜第一性原理计算
分类号: O474
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

在当今追求科技产品多功能的信息时代,人们对微纳尺度光电器件和电子器件的要求日益提高。为获得新功能器件,制备稳定的n型和p型掺杂的新型化合物半导体材料凸显重要;同时,器件的比表面积随器件的尺度减小迅速增大,Si表面上金属的结构和特性对器件的性能影响极大。然而,在纤锌矿结构ZnO新型光电半导体中,存在非对称掺杂和获得的p型掺杂不稳定和极性表面非零偶极矩的静电不稳定的难题;在Si表面上的金属原子所形成的纳米团簇也存在结构稳定性和电子结构不确定等问题。极大地制约了这些半导体结构材料的应用。为此,本论文着重就纤锌矿结构ZnO中Ga-N等电子对共掺杂p型材料、Zn和O极性表面结构、Si（111）-（7×7）表面Zn纳米团簇结构的稳定性及其电子结构性质开展研究。首先,从纤锌矿结构ZnO的p型掺杂稳定性和能带结构调制的角度出发,计算了两种Ga-N等电子对共掺杂构型的总能、态密度和能带结构。总能计算表明,共掺有利于N_O受主杂质的稳定,并提高N在ZnO晶体中的掺杂浓度。态密度和能带结构结果显示,共掺构型Ⅰ较构型Ⅱ更有利于N_O引入的空穴和Ga_Zn引入的电子的完全互补偿,从而不改变完整晶格ZnO的基本电子结构性质,而仅仅抬高其价带顶,在价带顶处产生一个完全占据的非有效杂质态,有效降低了N_O的受主电离能,并提高了N_O的p型掺杂效率。其次,干净无再构Zn和O极性表面的几何结构和电子结构性质的计算表明,形成Zn极性表面后,最外Zn原子层稍微向外移动,并在完整晶格ZnO的导带底处产生了新的陡峭表面态,使得费米能级抬高进入导带,形成n型导电。形成O极性表面后,最外O原子层向内大幅度位移,并在完整晶格ZnO的价带顶处产生了新的平坦表面态,费米能级下移进入价带,使O面具有p型导电性。结合Zn和O极性表面的STM观测认为,Zn表面的稳定通过形成以O原子为台阶边沿的能量最低的{10（?）0}为台阶纳米小面的三角岛锯齿台面,改变表面Zn/O比,以补偿极性表面电荷。而O表面的稳定则主要通过表面电荷的转移和p型表面态的生成来补偿极性表表面电荷。最后,在Si（111）-（7×7）表面生长出了全同的Zn纳米团簇,结合扫描隧道显微镜和第一性原理总能计算及理论STM模拟研究结果显示,Zn纳米团簇中心倾向于被一个Zn原子所占据,使Zn纳米团簇不同于其它金属纳米团簇（N=6）,形成最稳定的Zn₇Si₃原子构型。STS测量结果表明,在扫描偏压为±0.5V时Zn₇Si₃纳米团簇几乎消失不见的现象是Si（111）-（7×7）表面位于-0.3和+0.5V处的Si顶戴原子表面悬挂键态被饱和,形成具有半导体态密度分布的结果;Zn₇Si₃纳米团簇占据层错半单胞,清空了与之近邻的无层错半单胞中最近邻中心Si顶戴原子在-0.3V处的占据电子,澄清了近邻无层错半单胞中最近邻3个中心Si顶戴原子在占据态STM形貌像中变暗的物理起源。不同Zn覆盖度下Zn/Si（111）-（7×7）表面的STM形貌研究表明,Zn薄层的生长模式为经典的层状-岛状生长模式。所生长的Zn薄层不是普通的六角密堆积金属Zn薄层,而是多层蜂窝状Zn纳米团簇阵列层。对不同衬底温度生长的Zn薄层STM形貌研究发现,随着Zn原子单层与衬底Si（111）-（7×7）表面间距的增大,Si（111）-（7×7）表面对Zn原子单层的作用逐渐减弱,并导致Zn原子层的生长从单层生长模式转变为岛状生长模式,并对不同Zn原子单层的电子态产生显著的影响。原位RHEED衍射图样和STM形貌像分析显示,第一Zn原子单层为Zn₇Si₃纳米团簇组成的纳米团簇阵列层。从第二Zn原子单层开始,金属Zn纳米团簇通过直接在Zn₇Si₃纳米团簇上柱状堆叠而成。金属Zn纳米团簇中的Zn原子以六角密堆积结构方式排布,与Si（111）-（7×7）表面的外延关系为Zn（0001）//Si（111）和Zn[11（?）0]//Si[11（?）]。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
第一章绪论  14-28
  1.1 纤锌矿结构ZnO的掺杂  14-16
  1.2 ZnO极性表面  16-18
  1.3 自组织有序纳米阵列  18-20
  1.4 论文架构  20-21
  参考文献  21-28
第二章结构的制备和表征方法  28-50
  2.1 分子束外延生长系统  29-40
    2.1.1 生长束流控制  30-32
    2.1.2 表面结构原位监控  32-40
  2.2 扫描隧道显微镜  40-47
    2.2.1 表征基本原理  40-45
    2.2.2 STM工作模式和过程  45-47
  参考文献  47-50
第三章半导体掺杂和表面的计算模拟  50-78
  3.1 理论计算方法  50-58
    3.1.1 Hartree-Fork方法  50-52
    3.1.2 密度泛函理论  52-55
    3.1.3 平面波展开的第一性原理赝势法  55-58
  3.2 半导体掺杂和表面结构模型及性质计算  58-71
    3.2.1 完整晶格体材料  58-62
    3.2.2 掺杂体材料  62-66
    3.2.3 表面  66-71
  3.3 小结  71-73
  参考文献  73-78
第四章 ZnO中Ga-N等电子对共掺杂稳定结构及其性质  78-88
  4.1 Ga-N等电子对共掺杂结构及其稳定性  78-79
  4.2 Ga-N等电子对共掺杂对ZnO能带的调制  79-82
  4.3 Ga-N等电子对共掺杂对受主电离能的影响  82-83
  4.4 小结  83-85
  参考文献  85-88
第五章纤锌矿结构ZnO的Zn和O极性表面结构及其性质  88-108
  5.1 无再构Zn和O极性表面结构及其性质  88-95
    5.1.1 Zn和O极性表面弛豫几何结构  89-91
    5.1.2 Zn和O极性表面电子结构性质  91-95
  5.2 实际Zn和O极性表面稳定结构及性质  95-102
    5.2.1 Zn极性表面稳定结构  95-98
    5.2.2 Zn极性表面STS谱测量  98-99
    5.2.3 O极性表面稳定结构  99-102
  5.3 小结  102-104
  参考文献  104-108
第六章 Si(111)-(7×7)表面Zn纳米团簇稳定结构及其性质  108-138
  6.1 Zn纳米团簇的稳定结构及电子性质  110-120
    6.1.1 Zn纳米团簇的稳定原子结构  110-117
    6.1.2 Zn纳米团簇的电子结构  117-120
  6.2 多层蜂窝状Zn纳米团簇阵列层的结构及性质  120-130
    6.2.1 多层蜂窝状Zn纳米团簇阵列层的表面形貌及性质  120-127
    6.2.2 多层蜂窝状Zn纳米团簇阵列层的原子结构  127-130
  6.3 小结  130-132
  参考文献  132-138
第七章总结与展望  138-140
附录博士期间发表的论文  140-141
致谢  141

半导体掺杂和表面若干稳定结构及其性质

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