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[学位]

纤锌矿结构AlN中的自发极化场性质研究

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牛海波 (牛海波.)

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Abstract:

氮化铝(AlN)属于第三代半导体材料,具有禁带宽度大、电子漂移饱和速度高、介电常数小等特点,使其在深紫外发光及光电探测器件等领域应用中有着潜在的巨大
前景,已经成为目前半导体研究领域中的热点。AlN通常具有六方纤锌矿结构,且原子间所成的键呈现较强的离子性,使得结构中产生强的自发极化场,从而显著影响着
半导体器件的光电性质,因此自发极化场是AlN等宽禁带半导体性质研究中不可回避的根本问题之一。本文以现代极化理论为基础,利用第一性原理方法对AlN体相及一维纳米结构中的自发极化场性质进行了系统的计算分析,研究结果对于改进和提高基于AlN的光电及压电器件的性能具有重要的现实意义。
分别采用Berry phase和最大局域化Wannier函数方法计算了纤锌矿AlN、GaN及ZnO的自发极化及压电系数,研究了自发极化与晶体结构之间的关系。结果表明AlN的自发极化及压电系数在三种半导体中最大,其自发极化超过另外两种半导体的两倍。
通过分析电子项及离子项对自发极化的贡献,认为AlN具有强的自发极化的原因是其晶格参数u偏离理想纤锌矿结构的u参数最大以及N-Al 键具有较强的离子性。
对现有自发极化的计算方法进行了分析比较与改进。通过将常用的最大局域化Wannier函数方法与 Berry phase方法比较, 发现由于最大局域化Wannier函数方法在计算中产生了Wannier中心,因此在分析自发极化、电子结构及原子成键上具有独特的优势,能给出更清晰的物理图像。进一步发现文献中计算自发极化方法的不足,从偶极矩的角度分析了原因并提出了修正公式。此外提出了不用构建参照模型,可以利用纤锌矿结构中最小重复单元中正负电荷的重心直接计算自发极化的方法,该方法不仅给计算带来了方便并且可直观清晰地分析自发极化的形成。
利用 Wannier 函数方法,分析了 AlN 中引入本征点缺陷时的电子结构。由于空位是半导体生长过程中最为常见的点缺陷,影响着结构的诸多性质。采用基于密度泛函
理论的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了引入不同电荷态空位时晶体结构中的最大局域化 Wannier 函数,并根据 Wannier 函数的空间延展及 Wannier 中心的分布,对
空位引起的晶体电子结构以及[ 0001]、 [-1010 ]、
[-12-10] 晶向上的自发极化变化进行了研究。通过 Wannier 中心的分布发现在 AlN 晶体中,N 空位周围悬挂键上的电荷向空
位处转移,而 Al 空位周围悬挂键上的电荷则远离空位,沿悬挂键方向移动到近邻的 N原子一侧。同时发现,空位的引入破坏了
[-1010 ]、[-12-10]晶向上的中心对称结构,在该方向上产生了极化,且极化强度随着空位电荷态的增加而增大。在[0001]晶向上,随
着 N 空位电荷态的增加,空位周围电子结构发生了剧烈变化,使得自发极化发生了反转,且极化强度随着电荷态的增加而增大;而在 Al空位中,随着电荷态的增加,自发极化沿原方向显著增加,并没有发生极化反转,认为这是由于N空位和Al空位所带的电性不同。作为比较,也计算了ZnO晶体中O空位及 Zn间隙引起的自发极化变化,
发现空位引起的极化性质变化与 AlN相似。进一步计算了空位间的相互作用引起的ZnO极化场性质变化,发现空位相距较近时,体系能量更稳定,此时空位间强的相互
作用会极大地削弱结构中的极化场,因此可以用来调控极化场强度。
利于平均偶极矩的方法计算了 AlN纳米线的自发极化及压电性质,及其随纳米线尺度的变化。发现纳米线中的自发极化要大于体相结构中的极化,且自发极化随着纳
米线直径的减小而增大。从纳米线的晶格参数c的变化及表面结构优化两方面分析了极化性质的变化的原因。发现表面驰豫会增强极化性质而晶格参数c的变化削弱了极
化性质,随着纳米线直径的减小,结构的表面体积比逐渐增大,表面驰豫引起的极化性质变化更加大于晶格参数所引起的极化变化,导致了自发极化随纳米线直径减小而
增大。通过计算纳米线的压电性质,发现其压电系数仅稍大于体相结构,且对纳米线的直径变化不敏感,对于上述变化从表面结构优化以及晶格参数两方面进行了分析。
这些发现对于制作基于AlN纳米线的压电器件有重要的指导作用.

Keyword:

氮化铝 第一性原理计算 自发极化 最大局域化 Wannier 函数

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  • [ 1 ] 西安交通大学理学院

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Basic Info :

Degree: 理学博士

Mentor: 陈光德

Year: 2016

Language: Chinese

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