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过渡金属氧族化合物半导体的光电特性研究

李科学  
【摘要】:过渡金属由于价层d轨道的特殊性导致其氧族化合物半导体材料体系具备多种特殊的物理性质:如铁电性,铁磁性,热电效应,磁电耦和,光电效应等。无论是在传统光电材料领域,还是在新兴的低维材料领域,该材料体系均引起各国科研人员的重视并被广泛研究。如何通过掺杂,改变晶体结构等手段调节半导体能带结构,来控制其电学光学性质并最终得到实用化材料一直是半导体材料研究的热点。本论文针对宽带隙氧化锌材料的P型掺杂问题,黑色二氧化钛微波吸收机理问题进行了深入实验研究,并利用第一性原理计算方法对钆硫属化合物的电子结构进行了理论研究,具体工作内容如下:(1)氧化锌材料被认为是一种制备低阈值紫外激光器的候选材料,但稳定低阻的P型氧化锌薄膜难以获得,制约了氧化锌材料的发展。本文采用等离子体辅助的分子束外延设备,在氧化锌单晶衬底的Zn极性面外延氮掺杂薄膜,通过X射线光电子能谱证实了Zn极性面更利于氮元素的掺入。通过生长渐变组分氮掺杂MgZnO薄膜,通过极化场诱导NO受主离化,成功得到具有良好整流特性的PN结型器件。对该器件进行光电响应测试,发现该器件可以再0V电压下对紫外光响应,并具备良好的波长选择特性。我们认为极化诱导掺杂提供了一种氮掺杂制备P型氧化锌的可行方案。(2)无序工程方法制备的黑色二氧化钛纳米粒子被证实是一种强微波吸收材料,其微波反射损耗可以达到-49dB(99.99999%)。由于Ti O2是材料是非磁性的宽禁带半导体材料,所以传统的微波吸收机理如偶极旋转,铁磁共振对黑色二氧化钛并不适用。本文采用一种简易可行的纳秒激光烧蚀技术,将原生二氧化钛至于去离子水中烧蚀,成功制得完全非晶的黑色二氧化钛纳米粒子。通过对该纳米粒子电磁参数测试并计算得到其微波反射损耗能力,我们的结果表明完全非晶的黑色二氧化钛不能实现强微波吸收,这就说明无序工程的强微波特性并非来源于非晶壳层的杂质和缺陷。考虑的无序工程黑色二氧化钛的核壳结构,我们认为其强微波吸收是通过核心与壳层协同机制实现的。通过有限元数值计算,我们认为在核壳界面累积的电子与微波相互作用可以形成等离子体共振,进而通过电导损耗实现了强微波吸收。我们的实验及理论结果表明,无序工程开辟了用氧化物半导体实现强微波吸收的新途径。(3)光子以及带电粒子可以通过激发半导体材料使其能量转化为半导体中的电子和空穴,因此半导体探测器可以对它们高效响应。然而,对于核辐射的中子,传统的半导体材料无能为力,因为传统半导体材料大多不具备中子俘获能力。镧系元素钆在所有元素中具有最高的中子俘获截面,为了找到合适的中子探测半导体材料,我们通过第一性原理计算研究了钆硫属化合物的能带结构。结果表明g相硒化钆(g-Gd2Se3)具有合适的禁带宽度1.76eV,同时间接带隙特性又保证了它的载流子具有较长的寿命。因此我们认为在能够生长出大面积高晶体质量的硒化钆晶体前提下,可以用该材料实现具有单中子灵敏度的半导体中子探测器。


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