硅基光電子材料和稀磁材料的計算設計.pdf

1、眾所周知，硅是當今微電子技術的首選材料，而且硅微電子工藝也已經發(fā)展的很成熟。然而，由于體材料硅是一種間接帶隙半導體，其躍遷過程必須要借助于聲子的參與，因此不能成為有效的光發(fā)射體。近來的研究表明采用硅基納米結構有可能得到具有直接帶隙的硅基材料，可是當前的固體電子理論對一個給定的晶體結構，只有在計算它的電子結構后才能斷定其是否具有直接帶隙。如何通過已有的物理學原理和可行的微加工技術設計具有直接帶隙特性的硅基新材料并使其成為有效的光發(fā)射體就成

2、為一項極具挑戰(zhàn)性的工作。 長期以來，人們都知道固體的能帶結構與其對稱性是密切相關的。通過對大量半導體的能帶結構與對稱性關系的分析，我們發(fā)現Oh點群對稱的材料幾乎全是間接帶隙材料；化合物半導體主要有兩種對稱性，Td和C6v，具有乃對稱性的閃鋅結構材料大部分為直接帶隙，小部分為間接帶隙；而對稱性更低的C6v六角對稱材料則幾乎全是直接帶隙材料。因此，我們相信通過降低晶體的對稱性可以作為設計具有直接帶隙硅基材料的一個經驗性原則。要降低硅

3、晶體的對稱性通常有兩種較簡便的方法：一種是通過原子的替位，也即在硅晶中用其他的原子替代硅原子；另一種稱為插入層生長，將插入的原子周期性的整層生長在硅晶上。在本文中，考慮了插入原子的電負性差效應和芯態(tài)效應，我們分別用上述兩種方法設計了兩類硅基超晶格材料，得到了幾種具有直接帶隙結構的硅基材料。 另一方面，人們一直對發(fā)展將電、磁集為一體的稀磁半導體抱有濃厚的興趣。最近有實驗報道，在鍺上獲得了居里溫度達到285K的鐵磁性稀磁材料MnxG

4、e1-x。而后的理論計算表明在硅上也可能獲得接近室溫下的Mn摻雜硅基稀磁半導體材料MnxSi1-x。研究人員試圖用長程鐵磁性與短程反鐵磁性的競爭，平均場理論，RKKY理論等對它們的鐵磁性進行解釋，可是，對于它們?yōu)槭裁幢憩F出鐵磁性的機理還有待進一步的探索。我們嘗試通過改變摻入的過渡金屬原子的種類和摻入時的位置兩種途徑來分析硅、鍺稀磁材料中磁性的變化特點，并利用RKKY理論對相應稀磁半導體的居里溫度作了預測。 本論文可分為兩部分。第

5、一部分介紹了研究工作所涉及的基本理論和第一原理方法。首先介紹了密度泛函理論，包括密度泛函理論的基本思想、Hobenberg-Kohn定理、Kohn-Sham方程、交換關聯近似和GW修正等。接著介紹了本研究工作中所采用的具體電子結構計算方法，即平面波展開的第一性原理贗勢法。并對基于平面波贗勢法的VASP程序包的特點作了介紹。第二部分共有三章，分別介紹我們的研究工作和結果。 在第三章中，我們采用插入層生長的方法，分別在Si(001)

6、面周期性的插入單層Ⅵ族、V族和Ⅲ-V族原子。同時考慮到Si(001)表面不同的重構方式，即(2×1)和(2×2)兩種結構，分別進行了第一性原理計算。經過計算，我們得到了兩種在廠點具有直接帶隙的超晶格Se/Si5/VI/Si5/Se和Se/Si6/VI/Si6/Se(VI=O,S,Se)，而且研究表明(2×2)結構的Se/Si5/VI/Si5/Se超晶格比(2×1)結構的超晶格Se/Si6/VI/Si5/Se具有更好的能帶特性。而在第四章

7、中，我們用原子替位的方法在Si(001)面上設計了一種新的超晶格Si1-yXy/Si(X=C,Ge,Sn,Ti,Zr；y=0.125,0.25,0.5)，計算表明超晶格Si1-ySn/Si(y=0.125)和Si1-yGey/Si(y=0.125,0.25)具有直接帶隙結構。對上面兩類超晶格能帶結構的分析，使我們認識到降低晶體的對稱性能有效改變晶體的能帶結構，而選擇芯態(tài)較大且與硅的電負性差小的插層原子能有助于硅基超晶格的能帶結構向直接帶

8、隙轉變。 在第五章中，嘗試在硅和鍺中分別摻入V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni，討論了它們對硅，鍺稀磁半導體的影響。認為摻入Cr、Mn、Fe原子容易獲得較大的磁矩，而且摻Mn的鐵磁性最明顯。而后討論了在硅，鍺不同的格點上摻入Cr、Mn、Fe的稀磁性質。研究表明，Cr摻雜的稀磁材料大多表現為反鐵磁性；Mn摻雜的硅基材料鐵磁性滿足長程鐵磁性與短程反鐵磁性競爭理論，而鍺基Mn摻雜稀磁材料的鐵磁性更適合用RKKY模型解釋；Fe摻雜的稀磁材