应用密度泛函理论研究半导体材料电子性质

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1、山东大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：牛日期：坦堕生竺关于学位论文使用授权的声明本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以

2、采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。(保密论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：三年亟一导师签期：≯吗、啦’∞-山东大学硕士学位论文内容摘要半导体材料电子性质的研究是进行半导体器件制备的基础。理论上研究材料的能带结构可以为其发光机理及光电器件的制备提供熏要信息。密度泛函理论(DensityFunctionalTheory)在半导体材料研究中的应用非常广泛，它将电子体系的能量表示成电子密度的泛函，可以对复杂的多电子体系进行计算。尤其是基于局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)的各种交换相关能表达方式的不断提出，使DFT的计算结果与实验

3、结果很好的吻合。根据对波函数的展开方式，通常DFT有两种计算方法，一种是原子轨道的线性组合(LCAO—MO)展开波函数方法：另一种是平面波方法(PW)，一般采用正交化平面波展开波函数。根据所研究的问题可以采用团簇模型和平面波模型。为了对几种计算方法进行比较，探讨各种方法对所研究问题的适用性，我们分别用团簇模型和平面波模型对不同原子个数的Si团簇电子结构进行了计算和对比，选用的团簇模型用H钝化其表面：si。H。(n=l，5，17，29，47)。研究发现在团簇模型计算中，DFT与Hartree—Fock方法比较，有两点较大的优势，其一，计算时间较少，可以计算较大的

4、团簇体系；其二，计算结果与实验值吻合较好。用平面波模型计算纳米团簇则必须合理选取颗粒之间的距离，过大，可能超过计算机的运算能力；过小，降低了计算精度。综合分析表明团簇模型研究纳米晶材料的电子性质较方便，而平面波模型研究块体结构及其掺杂问题较适用。计算结果表明，对于全氢饱和的Si团簇，随颗粒半径的变化，其带隙明显遵从量子限制效应(QC)。但是实验发现对于表面氧化的纳米Si，尺寸小于约2nm颗粒的发光现象却无法用量子尺寸效应解释，人们普遍认为这与si表面钝化剂有关，因而在DFT框架内我们利用团簇模型考察了不同的表面钝化剂x(X=F，C1，OH，0)对Si团簇带隙和

5、带边的影响。通过对两个si团簇模型Si29．和si47．计算结果发现(1)Si29H36．kXk(k=1，2，X=F，C1，OH)，Si47H60-kXk(k=l，2，X=F，C1，OH)，即表面钝化剂与Si团簇以单键形式键合时，其电子结构分别与Si29．，Sh7一相同，带边结构依旧由Si核决定，相应带隙也仅有较小的变化；(2)而对于Si29H36-2kOk(1c=-I，2，X=O)，Si47H60-2kOk(k=l，2，X=O)，即氧以双键挂接到si团簇表面时，Sp3电子结构网络发生了明显的变形，导致带由求大学硕士学位论文遮静显警交化和阊豫躺减小，结聚衰弱带

6、边结构主要由Si=O决定。说明了氧化清况下酸羲驳键缝掬对菱巍缝震产整了璧葵影嫡。宽黎带真接间隙半导体材料ZnO是～种非常有潜力的短波发光材料，因此执理论上研究ZnO及相关辛芎科的熊带结构和电子性质将为斑波发光器件如LED，LD等嚣麓罄提供羹要袋据，劳麓黯实验中塞蕊豹襞蒙终逛理论群释蠢更好的指婚实验。我们用平面波赝势方法计算了非掺杂ZnO的能带缨构，并以此为基础，计算了不同缀分Mg等龟予取代Zn后对其带隙产壅的影响。理论结桑轰骥，在一塞x莲Nt内，MgxZnl。O毒辣隧x辩增大露罐大，可镬冀菱竞渡长鏊移，并对ZnO产生量子限制效应。同时救们根据理论计算结果与实验

7、结果的差异，比较分析了三元合金M瓢Zn】。O的分凝点鞲j现位麓不同的原因。迸一步研究衰臻Mg翡豫入是通过楚枣亨辩导繁底瓣淹上簪凑实魏了对豢濠增大懿影蝻。在MOCVD生长ZnO过程中，Zn源糟入了杂质C，造成ZnO中的点缺陷。我们对C在ZnO中韵掺杂机理避行了讨论，并对其在带隙中的影响做了研究。计算结嚣表鬻e在ZnO謦黧中产生最萋涤篷缓，并曼麓两煎熬缀。如果C浓度是够骞。将会产生费米钉扎，逑成电子跃迸的困难，产生高阻现象，这与实验中出壬贝的隧O／Zn比增大体系电阻率减小的现缘是相一致的。考虑别在实验中，生长P型掺杂翡ZnO簇难实琵。我羹在察度泛涵理论框絮盎对P登

8、ZnO逑毒亍了初步蟪讨论，分别研究了V