半導體納米粒子能隙與拉曼頻率尺度效應的研究.pdf

1、當材料尺度進入到納米量級，就會表現(xiàn)出與塊體材料不同的性能。例如半導體納米粒子就具有特殊的光學、電學、磁學、熱力學等不同于塊體結構的性能，這類材料對光電轉換、存儲設備、傳感器、顯示技術等領域有著極其重要的影響。因此半導體納米材料引起了廣泛的關注和大量的研究。關于半導體光學性能的研究大多數(shù)集中在實驗和計算模擬。在理論方面，目前有量子限制理論和鍵序-鍵長-鍵強(BOLS)理論較為著名。但是這些理論模型中都存在有較多的自由變量，從而限制了這些理

2、論模型的應用。因此建立一個可變參數(shù)少，且在全尺寸范圍內(nèi)都適用的理論模型有必要的。
　　在本論文中，引入鍵數(shù)作為唯一變量來描述半導體納米粒子的能隙和拉曼頻率的尺度依賴。在納米尺寸范圍內(nèi)，由于高表面能的影響，為了獲得較穩(wěn)定的結構，原子會聚集在一起形成新的結構來減小表面能。目前有很多關于納米粒子形狀的結構模型，例如切角八面體結構(TO)、二十面體(IH)、十面體(TH)等。因此用鍵數(shù)來描述納米粒子的物理性能，不僅要考慮尺寸的影響，還要考

3、慮到納米粒子形狀帶來的影響。研究發(fā)現(xiàn)，一種特殊的切角八面體(Cubo)結構因在納米尺寸具有較穩(wěn)定的結構得到廣泛的應用，尤其是有效的描述了結合能和熔點的尺度依賴的問題。因此本文采用Cubo結構來描述所研究的半導體納米粒子的形狀。
　　本論文以IV族半導體Si、II-VI族半導體(CdS、CdSe、ZnS、ZnSe、CdTe)、氧化物半導體(SnO2、CeO2)、III-V族半導體(InP)等納米粒子為研究對象，采用熱力學理論分別解析

4、了能隙和拉曼頻率隨尺度的變化規(guī)律：
　　1.建立了半導體納米粒子能隙的尺度依賴模型，其中鍵數(shù)是所需要確定的唯一的變量。模型預測結果顯示，隨著尺度的降低能隙逐漸增大，并且當粒子尺度D<5 nm時出現(xiàn)明顯的增長趨勢。該模型的預測結果與相應的實驗結果和第一原理計算結果相吻合。在該模型中，納米材料能隙Eg(D)的變化范圍為Eg(∞)≤Eg(D)<2Eg(∞)，其中Eg(∞)為塊體材料的能隙。該模型解釋了能隙隨尺寸變化的原因在于原子鍵數(shù)逐漸

5、減小，直接導致系統(tǒng)結合能的減弱，從而致使能隙增大。與同樣是從能量角度出發(fā)的Yang等人的模型相比，發(fā)現(xiàn)當粒子尺度相同時，該模型預測的能隙值略小于Yang的模型，其原因在于在建立Cubo結構時，并未考慮納米粒子表面空位和內(nèi)部缺陷，然而本文所建立的能隙模型卻相對其他理論模型更為簡便、有效。
　　2.通過解析配位數(shù)與原子熱振幅隨尺度的變化規(guī)律，建立了半導體納米粒子拉曼頻率的尺度依賴理論模型。在本模型中，鍵數(shù)仍然是唯一需要確定的變量。理論

6、模型預測結果與一系列的半導體單質、化合物，以及半導體合金納米粒子的實驗和計算模擬結果能夠很好的符合。研究發(fā)現(xiàn)，隨著納米粒子直徑的減小，拉曼頻率逐漸減小，并且在尺寸下限出現(xiàn)較快的下降趨勢。半導體納米粒子的紅移現(xiàn)象，其原因在于隨著尺寸降低，表面原子缺鍵所占的比例不斷的增大，導致體系結合能降低，原子束縛能力降低，從而導致熱振幅增大，振動頻率減小，拉曼光譜出現(xiàn)紅移。模型預測結果的合理性，也說明我們所建立的模型可以同時預測不同的半導體納米粒子。因