半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)缺陷及儲(chǔ)氫的第一性原理研究.pdf

1、半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)由于其獨(dú)特的物理特性以及在光電領(lǐng)域中潛在的應(yīng)用受到人們的廣泛的重視，隨著研究的深入，各種新穎的低維納米結(jié)構(gòu)如納米管、納米絲、納米帶、納米薄膜和納米同軸電纜等相繼被發(fā)現(xiàn)。GaN、AlN納米線與納米管都是非常重要的半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)材料，它們?cè)谧孕娮訉W(xué)、儲(chǔ)氫、光電轉(zhuǎn)換、催化等方面都有著廣泛的應(yīng)用。探究半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)體系的磁性來(lái)源一直是磁電子學(xué)領(lǐng)域研究的熱門課題，而尋找儲(chǔ)氫容量大，又容易釋放氫的新型納米結(jié)構(gòu)材料是氫能大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)

2、鍵。由于半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，實(shí)驗(yàn)的研究難度很大。隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)和量化計(jì)算方法的不斷發(fā)展，計(jì)算模擬已成為材料科學(xué)研究的重要方法。
　　 本文采用第一性原理方法主要研究了(1)空位在GaN納米線中誘發(fā)磁性，為了比較計(jì)算結(jié)果，我們也計(jì)算了GaN三維塊體和二維薄膜中的空位；(2)鋸齒型和扶手椅型AlN納米管吸附H原子和H2分子；(3)Si表面吸附Mn原子和Nb團(tuán)簇。主要結(jié)論如下：
　　 1、纖鋅礦GaN塊體材料、二維薄膜

3、和一維納米線中，本征缺陷Ga空位都可以形成。對(duì)于GaN(1120)薄膜結(jié)構(gòu)，在薄膜表面形成Ga空位所需的形成能明顯小于表面下層結(jié)構(gòu)的形成能。在一維GaN納米線內(nèi)部，形成Ga空位所需的能量與塊體和薄膜表面下層結(jié)構(gòu)接近，而在GaN納米線的表面，形成能減小了很多，這表明Ga空位更容易在GaN納米線的表面形成。這是因?yàn)樵贕aN納米線表面需要打破的Ga-N共價(jià)鍵比內(nèi)部要少。無(wú)論Ga空位位于GaN塊體材料和薄膜中任意位置，每個(gè)Ga空位都可以產(chǎn)生3.

4、0μB的磁鉅。純的和氫原子鈍化的GaN納米線的表面形成的Ga空位，每個(gè)Ga空位可產(chǎn)生1.0μB的總磁矩，而在納米線的內(nèi)部每個(gè)Ga空位可產(chǎn)生3.0μB的磁矩。盡管Ga空位在納米線的內(nèi)部產(chǎn)生的磁矩大于Ga空位在納米線的表面產(chǎn)生的磁矩，但是Ga空位更容易在GaN納米線的表面形成，這樣不經(jīng)過摻雜就可形成磁性納米線。無(wú)論Ga空位位于沒有進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化的GaN納米線的任何位置，每個(gè)Ga空位都可產(chǎn)生3.0μB的磁矩，原子的馳豫僅影響納米線表面的磁矩

5、。GaN塊體、二維薄膜和一維納米線中，各種Ga空位結(jié)構(gòu)磁性主要來(lái)自于Ga空位最近鄰N原子的自旋極化的N-2p電子軌道。對(duì)于兩個(gè)兩個(gè)Ga空位之間的耦合，所有結(jié)構(gòu)更有利于鐵磁耦合，而且這種耦合為長(zhǎng)距離鐵磁耦合。
　　 2、對(duì)于單個(gè)氫原子吸附在(8，0)和(5，5)AlN納米管內(nèi)、外的各種可能的位置進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明氫原子在管內(nèi)和管外最穩(wěn)定的吸附位都是位于氮原子之上。當(dāng)氫原子吸附在鋁原子和六角中心之上，整個(gè)體系具有磁性，總磁矩大約為

6、1.0μB，其主要來(lái)源于氫原子和最近鄰的氮原子。各種吸附結(jié)構(gòu)的勢(shì)壘都比較小說(shuō)明吸附結(jié)構(gòu)不是很穩(wěn)定，吸附的氫原子很容易轉(zhuǎn)變成其它形式或者釋放出去。我們計(jì)算了氫原子覆蓋率為25％，50％，75％，100％，133％和200％的各種吸附體系的吸附能，結(jié)果表明氫原子覆蓋率為100％的結(jié)構(gòu)吸附能最有利，這種吸附模式對(duì)應(yīng)(8，0)和(5，5)AlN納米管的吸附能分別為-2.355和-2.305eV。對(duì)于氫分子吸附在鋸齒型和扶手椅型的AlN納米管內(nèi)、

7、外的各種可能的位置進(jìn)行了研究，我們發(fā)現(xiàn)所有氫分子吸附為物理吸附。吸附能最有利的吸附結(jié)構(gòu)是氫分子位于(8，0)和(5，5)AlN納米管中鋁原子之上，考慮到每一個(gè)鋁原子在管內(nèi)外都能吸附一個(gè)氫分子，這種吸附模式對(duì)應(yīng)的氫質(zhì)量密度為8.89％，它超過了美國(guó)能源局2010年設(shè)定的6％的目標(biāo)。經(jīng)過幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化，我們發(fā)現(xiàn)它仍就保留了非常完美的管狀結(jié)構(gòu)，而且吸附能介于物理吸附的范德華力和化學(xué)吸附的化學(xué)鍵之間，大約為0.2～0.4eV。
　　 3、

8、對(duì)于緊密排列的Mn原子以及Nb4團(tuán)簇在Si表面吸附計(jì)算，結(jié)果表明Mn吸附模型中的Si-Si二聚體的鍵長(zhǎng)與干潔的Si表面比較相當(dāng)程度的拉長(zhǎng)，而且二聚物中的反對(duì)稱行顯著地被抑制。對(duì)于0.5 ML覆蓋度的Mn原子，i吸附位為能量最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)；而1 ML覆蓋度的Mn原子，h+i吸附位為最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。在所有可能的吸附模式中，b吸附位的自旋磁矩最大。i和h+i吸附結(jié)構(gòu)中Si表面明顯呈現(xiàn)金屬性。對(duì)于Nb4團(tuán)簇吸附在Si(001)表面，我們發(fā)現(xiàn)四面體和