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壳层掺杂硅纳米线的第一性原理研究

谢召起  
【摘要】:一维硅纳米线因其较大的表面体积比、较高的各向异性、特殊的结构而具有与传统的体硅材料完全不同的特性。又因其能与当前半导体硅技术良好的兼容,因此得到了研究者的极大关注。掺杂和引入缺陷是调制硅纳米线电子性质的重要手段。通过不同元素、不同位置的修饰,可以极大地改变硅纳米线中载流子的浓度以及硅纳米线自身的结构,从而产生新奇的物理性质。掺杂改性的硅纳米线在纳米电子器件、自旋电子器件等领域有着重要的应用前景。 本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对具有壳层结构的横截面为重叠五边形和重叠六边形的硅纳米线进行了3d过渡金属(Mn, Fe, Co, Ni)原子的掺杂研究。通过基于密度泛函理论的第一性原理计算,对具有该类壳层结构硅纳米线的结构稳定性、电学性质、磁矩进行了系统研究。能量计算结果表明,所有研究的结构包括边缘掺杂、中心掺杂以及外壳层掺杂的硅纳米线都可以稳定存在,且采用中心掺杂的结构具有最高的稳定性。通过对能带的分析,我们研究的所有掺杂体系均呈现金属性,而且金属性随着掺杂原子的浓度增大而提高。通过穿过费米能级的能带数目反映的电导通道,发现随着掺杂原子数目的增加电导通道增加,硅纳米线的金属性增强。而且通过自旋极化计算发现穿过费米能级的上下自旋的能带数不同,说明这些一维硅纳米线结构具有明显的铁磁性。通过Bader电荷分析,发现除掺杂Mn外,电子均是从硅原子转移到过渡金属原子;并且在单个过渡金属原子内部,电子从4s轨道向3d/4p轨道转移。3d轨道未成键电子数减少以及每个轨道内部(4s,3d,4p)电子从上自旋向下自旋的转移,使得单个过渡金属原子的磁矩比自由态时减小。但具有过渡金属原子壳层结构(TM-shell)的硅纳米线中过渡金属原子的磁矩与采用其他两种掺杂方法的硅纳米线的单个TM原子磁矩相比最大。我们的计算研究结果,对于进一步了解硅纳米线的掺杂和其在微纳电子器件中的应用具有重要意义。


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