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纳米异质结电子结构特性的第一性原理研究

宋昌盛  
【摘要】:低维纳米异质结材料的出现改变了人类生活,从互联网时代开始,在通信,存储与处理信息,高速计算,航空航天等高科技和日常生活等领域产生了重要的影响。本论文基于密度泛函理论,采用第一性原理计算方法,系统地研究了一维GaAs/InAs核壳纳米线和二维MoS2及其异质结的电子结构,磁学等相关性质,揭示了带隙调控、掺杂、磁各向异性能、磁交换耦合等方面的微观物理机制,本文主要成果及创新点如下:1 采用结构尺寸、化学组分和轴向应变等方式分别调控了纤锌矿(WZ)和闪锌矿(ZB)GaAs/InAs核壳纳米线的能带结构。变化的几何尺寸和化学组分作为内部手段来改变能带,在纳米线直径一定时,带隙随组分变化呈非线性变化规律;在核原子数一定时则呈线性变化。外部的轴向应变作为另一种方式调控带隙,增大拉伸(压缩)应变时带隙减小(增大)。核壳纳米线中GaAs组分越高,相对带隙越大。随着应变变化,纤锌矿核壳纳米线的带隙存在一个拐点,但该拐点并未在纯的GaAs纳米线中出现。2 在GaAs/InAs核壳纳米线中进行p型掺杂,发现在WZ中掺杂更容易且更稳定。由于类型I带阶的存在,WZ和ZB结构下核壳纳米线中在GaAs核中掺杂Cd原子形成的p型半导体可以使带边的电子自发跃迁到杂质态,从而在InAs壳中形成一维空穴气。另外,由于WZ结构中存在两种相互竞争的反键态和成键态,上述跃迁行为还是一个可逆的过程。3 研究了带有表面悬挂键的p型掺杂WZ和ZB构型下GaAs/InAs核壳纳米线的掺杂机理以及不同掺杂位置对p型掺杂的影响。计算发现表面In原子上带有悬挂键其掺杂稳定性更高。不论WZ和ZB结构下的核壳纳米线,在GaAs中进行Cd掺杂更稳定。杂质原子离表面悬挂键越远,在核壳纳米线中更易形成稳定的p型掺杂。特别的是,当掺杂位置离表面悬挂键很近时,呈现出一个类似本征半导体的行为,因为表面悬挂键能俘获邻近杂质提供的空穴,从而使得掺杂失效。与此同时,空穴的转移致使价带移到能量更低位,在导带中出现能带交叉现象。该理论结果为带有表面悬挂键的GaAs/InAs核壳纳米线中如何进行有效p型掺杂提供了一个良好的理论依据,为基于该光电子材料的实际应用提供了科学指导。4 研究了Fe/MoS2异质结的磁各向异性能(MAE),结果表明其大小以及磁轴方向可以通过电荷注入和轴向应变进行调控。计算发现Fe-3d和Mo-4d电子的耦合可改变费米能级附近d轨道的占据数,导致电荷注入和应变效应对MAE影响显著。通过电荷注入可使MAE值达到中性体系的十倍,且调控双轴应变可使Fe/MoS2的易轴发生改变,而在单组份的Fe单层中并未出现这一转变。5 深入研究了电荷注入对MoS2及其异质结MoS2/WS2体系磁学性能的影响。发现磁性元素的磁耦合交换作用不仅与层数有关,还取决于所选取的掺杂元素。Fe或Mn对单层MoS2进行双掺杂,通过磁双交换或超交换作用,体系表现出铁磁或反铁磁基态,且通过外部电荷注入,磁耦合交换作用可在二者间相互转换。另外,在MoS2/WS2异质结中进行磁性元素掺杂均呈现出反铁磁态,且通过注入电荷并未像单层MoS2一样发生铁磁耦合的相互转变。


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