光伏半導(dǎo)體材料和Cu基存儲材料的第一性原理研究.pdf

1、本論文的工作主要包括兩部分。第一部分是光伏半導(dǎo)體材料方面的研究工作，介紹光伏半導(dǎo)體基本性質(zhì)的研究和分析方法，以及光伏半導(dǎo)體性質(zhì)隨化學(xué)組分的變化趨勢，然后闡述半導(dǎo)體合金對半導(dǎo)體性質(zhì)的細致調(diào)節(jié)作用，并介紹形成合金的兩種重要方法——同價元素替換(isovalent element substitution)法和元素置換(element mutation)法。我們分別以改善CdTe太陽能電池和改善單晶Si太陽能電池為例，說明兩種合金方法在改善光

2、伏半導(dǎo)體性質(zhì)，尋找或者設(shè)計新型光伏半導(dǎo)體材料方面的重要意義。在研究無缺陷半導(dǎo)體及其合金之后，闡述半導(dǎo)體缺陷性質(zhì)的重要性，并以MgTe體系和Cu2ZnSnS(Se)4體系為例，介紹半導(dǎo)體及其合金缺陷性質(zhì)研究的各個方面，研究方法以及外界因素的影響。第二部分是Cu基過渡金屬氧化物存儲材料的研究工作。這一部分介紹兩種在存儲方面具有潛力的Cu基材料，包括通過磁電耦合實現(xiàn)存儲的多鐵性材料Cu2OSeO3和基于電阻高低轉(zhuǎn)換實現(xiàn)存儲的二元過渡金屬氧化物

3、Cu2O。
　　本論文的具體內(nèi)容如下:
　　第一章簡要介紹當前功能材料研究領(lǐng)域的兩大熱點:太陽能光伏材料以及新一代存儲材料。在闡述這些材料對解決當前產(chǎn)業(yè)問題的重要性基礎(chǔ)上，介紹這些功能材料的工作原理，材料已知的基本性質(zhì)和研究現(xiàn)狀等。第二章簡要介紹第一性原理計算方法的理論基礎(chǔ)，包括從多體問題到單電子問題的簡化思想和近似，以及密度泛函理論等。
　　第三、四、五、六章介紹光伏半導(dǎo)體材料的研究工作。其中，第三章介紹對3種Ⅱ-Ⅵ

4、族Te化物MgTe，ZnTe和CdTe二元半導(dǎo)體的研究，包括3種物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)，以及它們之間的帶邊相對位置等，發(fā)現(xiàn)從MgTe到ZnTe到CdTe，其最高占據(jù)態(tài)的能級逐漸增大，我們從芯能級絕對形變勢和p-d耦合作用兩個方面的影響，解釋了這種變化趨勢的物理原因。然后通過構(gòu)建合理的無序合金結(jié)構(gòu)模型，研究了三種碲化物兩兩之間形成的無序合金的性質(zhì)，包括能隙的彎曲系數(shù)，合金結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等，揭示了無序合金對CdTe光伏半導(dǎo)體材料的改善作

5、用。研究表明，MgTe和CdTe形成的(Mg，Cd) Te合金不僅晶格和CdTe非常匹配，而且其形成能很低。這種合金可以減少Cd元素的使用，同時可以通過調(diào)節(jié)MgTe的組分（MgTe的含量不能超過80％），實現(xiàn)1.48-3.02 eV之間的光吸收。
　　第四章，基于元素置換思想，我們研究了一種新型的半導(dǎo)體合金材料，Si3AlP，它可以看作是Si和AlP形成的非同價半導(dǎo)體合金。我們對該種材料的結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)性的搜索，并分析了其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)

6、定性，表明Cc結(jié)構(gòu)的Si3AlP可以穩(wěn)定存在和合成。研究其光學(xué)性質(zhì)發(fā)現(xiàn)，Cc結(jié)構(gòu)的Si3AlP具有優(yōu)于單晶Si的光學(xué)吸收譜，無論在低能量區(qū)域(1.5～2.5 eV)還是高能量區(qū)域(3.0～3.5eV)，其光吸收均明顯大于Si。通過對其電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)的研究，我們解釋了它具有更優(yōu)異光學(xué)性質(zhì)的物理機制。
　　第五章介紹對MgTe體系的缺陷性質(zhì)研究，闡述缺陷性質(zhì)計算的基本方法，然后系統(tǒng)性研究了該體系的本征點缺陷，摻雜性質(zhì)，以及復(fù)合缺陷等，包

7、括缺陷的形成能，缺陷躍遷能級，以及影響缺陷穩(wěn)定性的各種補償機制等，并給出了最有利的缺陷形式及其生長條件。
　　第六章針對四元半導(dǎo)體Cu2ZnSnS(Se)4，研究了其主要受主缺陷VCu和CuZn的缺陷能級隨晶格常數(shù)變化的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)VCu的缺陷能級隨著晶格常數(shù)變大有逐漸變深的趨勢，而CuZn的缺陷能級隨著晶格常數(shù)的變大而逐漸變淺。我們從壓強效應(yīng)和p-d耦合效應(yīng)兩個方面解釋了這種變化趨勢的原因。
　　第七、八章介紹Cu基過渡金屬

8、氧化物存儲材料的研究工作。其中，第七章介紹對多鐵性材料Cu2OSeO3的研究，闡述研究多鐵性材料的自旋哈密頓量模型和推導(dǎo)自旋相互作用參數(shù)和極化系數(shù)矩陣的能量映射四態(tài)法，并通過第一性原理計算了該體系的自旋相互作用參數(shù)。我們發(fā)現(xiàn)該體系具有異常強的DM相互作用，從而導(dǎo)致它的自旋基態(tài)為螺旋序排布，而且螺旋序基態(tài)具有簡并性，即能量僅取決于自旋傳播矢量的大小，而與方向無關(guān)。結(jié)合這兩方面，我們在一定程度上解釋了該體系中觀測到的自旋渦旋態(tài)(skyrmi

9、on)?；诩瘓F展開思想，我們發(fā)展和完善了自旋引起的鐵電極化理論，根據(jù)我們的自旋極化模型，自旋引起的鐵電極化可以歸為單自旋項和對自旋項的貢獻之和（三自旋及以上的項暫未考慮）。通過能量映射四態(tài)法，我們給出了推導(dǎo)自旋鐵電極化系數(shù)的第一性原理計算方法?；谠撃Ｐ?，并結(jié)合該體系的對稱性分析，我們發(fā)現(xiàn)Cu2OSeO3的鐵電極化主要來自于單自旋項。模型分析，第一性原理計算，以及實驗三者之間的結(jié)果十分一致，表明了自旋極化模型的正確性。
　　第八