摻雜對(duì)材料導(dǎo)電性影響的理論研究.pdf

1、隨著各種摻雜技術(shù)的不斷完善，摻雜已經(jīng)成為改善材料導(dǎo)電性的重要手段，目前常用的摻雜方法主要有化學(xué)摻雜、電化學(xué)摻雜和物理摻雜等。然而，關(guān)于導(dǎo)電材料的摻雜機(jī)理，即摻雜過程中詳細(xì)的物理和化學(xué)圖像，尚不十分明確。比如，摻雜元素如何改變材料的電子結(jié)構(gòu)，能否通過摻雜改變材料的電子結(jié)構(gòu)從而進(jìn)一步對(duì)其導(dǎo)電性進(jìn)行調(diào)控等。因此，從理論角度計(jì)算摻雜對(duì)材料導(dǎo)電性的影響，并分析其摻雜機(jī)理，揭示摻雜對(duì)材料電子結(jié)構(gòu)影響的信息，建立電子結(jié)構(gòu)與導(dǎo)電性之間的關(guān)系，對(duì)于設(shè)計(jì)出

2、性能優(yōu)異的導(dǎo)電材料具有重要意義。
　　本文采用密度泛函理論并結(jié)合非平衡格林函數(shù)方法，從理論角度計(jì)算了兩種不同類型導(dǎo)電材料的電子輸運(yùn)性質(zhì)，討論了摻雜對(duì)它們導(dǎo)電性的影響，共進(jìn)行了兩部分研究工作:(1)B、P摻雜對(duì)碳納米管/聚硅烷異質(zhì)結(jié)導(dǎo)電性的影響;(2)稀土摻雜對(duì)δ-MoN導(dǎo)電性的影響。
　　研究了碳納米管口接枝聚硅烷形成的一維σ-π共軛體系，即碳納米管/聚硅烷異質(zhì)結(jié)的電子輸運(yùn)性質(zhì)，重點(diǎn)考察了B原子摻雜、P原子摻雜以及B、P共摻

3、雜聚硅烷主鏈對(duì)其導(dǎo)電性的影響，并對(duì)摻雜導(dǎo)致其導(dǎo)電性改變的原因和機(jī)理進(jìn)行了深入分析。研究發(fā)現(xiàn)，B原子和P原子摻雜不僅顯著提高了碳納米管/聚硅烷異質(zhì)結(jié)的電導(dǎo)率，還引起了多重NDR效應(yīng)。采用一種比較的方式對(duì)影響體系導(dǎo)電性的摻雜因素包括摻雜原子的種類、濃度以及摻雜位置進(jìn)行了研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，B摻雜體系中的電子具有更好的共軛效應(yīng)，導(dǎo)致B摻雜體系的電導(dǎo)率高于P摻雜體系;摻雜原子濃度的增大能夠明顯降低HOMO-LUMO能隙，從而顯著增強(qiáng)體系的NDR效應(yīng)

4、;當(dāng)B原子或P原子取代聚硅烷主鏈中心位置的Si原子時(shí)，中心聚硅烷分子與左、右電極間的耦合程度最好，此時(shí)體系的電導(dǎo)率最大;B、P共摻雜導(dǎo)致體系出現(xiàn)了明顯的整流效應(yīng)，其整流比可達(dá)7.19。
　　研究了δ-MoN的電子輸運(yùn)性質(zhì)，討論了稀土摻雜對(duì)其導(dǎo)電性的影響，通過對(duì)晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的分析探討了稀土元素的摻雜機(jī)理。共選取了五種具有代表性的稀土元素:La、Ce、Pr、Gd和Yb，它們的價(jià)電子層結(jié)構(gòu)分別為:4f05d16s2、4f15d16

5、s2、4f35d06s2、4f75d16s2和4f145d06s2，比較全面的考慮了多種稀土元素的4f電子構(gòu)型對(duì)δ-MoN導(dǎo)電性的影響。對(duì)于每一種稀土元素，又分別考慮了兩種不同的取代位置:Wockoff坐標(biāo)的2a位置和6c位置。研究發(fā)現(xiàn)，除Pr和Yb摻雜提高了δ-MoN的電導(dǎo)率以外，La、Ce和Gd摻雜均使δ-MoN的電導(dǎo)率下降，這主要是由于Pr-4f和Yb-4f軌道電子貢獻(xiàn)的態(tài)密度峰距離費(fèi)米能級(jí)較近，導(dǎo)致費(fèi)米能級(jí)附近的載流子濃度增大;