双轴应变调控下单层双面神结构MoSSe拉曼光谱的理论研究

单层双面神结构过渡金属硫化物具有低维度、高迁移率以及奇特的电子结构性质,因此其在电子学和光电子学器件方面具有潜在的应用前景。由单层双面神结构过渡金属硫化物和基底材料制成的器件,很容易因基底材料和单层双面神结构过渡金属硫化物的晶格失配,导致单层双面神结构过渡金属硫化物受基底材料的应力,因此通过拉曼散射系统研究双轴应变对单层双面神结构MoSSe物性的影响具有重要意义。系统研究了双轴调控下单层双面神结构MoSSe的原子结构、电子结构、声子结构和拉曼散射特性。结果表明,在双轴应变调控下,单层双面神结构MoSSe的电子能带带隙出现了直接与间接的转换;随着压应变的减小和拉应变的增加,3个拉曼特征峰(E^(1)、E^(2)、A_(1)^(1))的频率都发生了单调红移,而A_(1)^(2)的拉曼特征峰在压应变减小的过程中出现了反常的蓝移;随着压应变的减小和拉应变的增加,双重简并模式(E^(1)、E^(2))的拉曼强度单调增加,单重简并模式的拉曼强度单调减小,而A_(1)^(1)的拉曼强度先减小再增加。针对这些具有普遍性和特殊性的应变效应,通过建模进行了研究。结果表明,基于特征峰频率和强度随应变的变化差异,可以通过特征峰之间的频率差和强度比,快速定量化双面神结构材料的应变类型和大小。

双轴应变对单层CdZnTe电子特性和光学性能的影响

研究双轴应变对单层CdZnTe半导体材料电子特性与光学性能的影响,可为制备光学性能优异的CdZnTe器件提供理论支持。本文采用Material Studio软件构建单层CdZnTe模型,并在其(100)和(010)方向上施加应变。基于密度泛函理论的第一性原理模拟计算了单层双轴应变对单层CdZnTe带隙、载流子有效质量、迁移率和介电常数等性能的影响。结果表明,拉伸和压缩应变均能减小单层CdZnTe的带隙,且双轴应变可有效调控单层CdZnTe的载流子有效质量、迁移率和介电常数。与拉伸应变相比,相同大小的压缩应变对单层CdZnTe性能的调控更加明显。随施加双轴压缩应变的增大,单层CdZnTe的带隙值逐渐减小,CdZnTe半导体吸收光的波长范围得到提高,单层CdZnTe的载流子有效质量、迁移率总体呈下降趋势,介电常数实部逐渐下降,虚部逐渐上升,意味着单层CdZnTe的金属性增强,光学性能提高。

双轴应变对GaN(0001)表面In原子吸附和扩散的影响

InGaN因其可调直接带隙的物理性质被广泛应用于发光器件和太阳能电池领域,高质量生长高In组分InGaN以提高器件性能一直是研究热点。应用第一性原理方法研究了双轴应变对GaN(0001)表面In原子的吸附和扩散的影响。计算结果表明,拉伸应变和压缩应变下,In原子的物理行为发生显著变化并且呈现不同特性。研究结果为深入理解双轴应变对InGaN生长的影响提供了理论基础,并且为高质量生长In Ga N提供理论指导。

局部双轴应变SiGe材料的生长与表征

利用分子束外延(MBE)对双轴应变SiGe局部区域外延生长和表征进行了研究.图形窗口边界采用多晶Si侧墙,多层SiGe薄膜分段温度生长.采用扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线双晶衍射(XRD)、透射电镜(TEM)和位错密度测试等多种实验技术,结果表明:薄膜表面窗口内双轴应变SiGe薄膜厚度和Ge组分得到精确控制,垂直应变度达到1.175%,其表面粗糙度为0.45nm,SiGe位错密度为1.2×103cm-2.由于采用多晶Si侧墙,外延材料表面没有发现窗口边缘处明显位错堆积.实验证实,采用该技术生长的局部双轴应变SiGe薄膜质量良好,基本满足SiGe BiCMOS器件制备要求.

双轴应变下GaN有效质量的计算及其对迁移率的影响

通过计算双轴应变下氮化镓的电子能带结构,给出了GaN有效质量与应变的变化关系。在弛豫时间近似的条件下,这种关系决定了双轴应变AlGaN/GaN中二维电子气(2DEG)的迁移率的改变。在其他物理参量不变的情况下,这种二维电子气迁移率将随着张应变的增加而增加,并随着压应变的增加而减小。计算结果表明,张应变对2DEG迁移率的影响要比压应变大。此外,GaN有效质量的变化在低温时对迁移率的作用更明显。而在低温低浓度的条件下,迁移率却对有效质量的依赖很小。

双轴应变对纤锌矿GaN、AlN、InN及其合金电子有效质量的影响(英文)

利用第一性原理计算方法密度泛函理论的局域密度近似计算了纤锌矿氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)及其合金在双轴应变下的电子有效质量。对于GaN和AlN,张应变使电子有效质量增大而压应变使电子有效质量减少,但却使InN电子有效质量在张应变和压应变下都增大。由于三元合金(AlxGa1-xN,InxGa1-xN和AlxIn1-xN)与GaN异质结的新颖特性,同时计算了三元合金在松弛和应变下电子有效质量的变化趋势。受制于GaN基板的平面应力,外延AlxGa1-xN和AlxIn1-xN电子有效质量将减少,而InxGa1-xN电子有效质量增大,且随着In含量变大而更显著。对铟氮化合物应变下电子有效质量异常的机制也做了讨论。

双轴应变对二维IV-VI硫族化合物电子特性的影响

利用密度泛函理论(density function theory,DFT)模拟计算了二维Ⅳ-Ⅵ硫族化合物(MXs:SnS、SnSe、SnTe、GeS、GeSe和GeTe)的本征结构和电子特性,重点研究了双轴应变对MXs的能带结构特点、带隙大小和费米能级的影响。发现应变对单层MXs的色散关系影响不大,但是对带隙大小的影响较大,而且压缩应变对带隙的影响大于拉伸应变。同时应变还可以调节GeSe、GeTe、SnSe和SnTe的直接带隙与间接带隙之间的转换。在应变的作用下单层MXs的费米能级随应变系数ε值的增加而降低,且压缩应变的影响大于拉伸应变的影响。采用应变工程研究二维MXs电子特性的变化趋势能为下一步实验上设计出高性能的二维半导体器件提供理论依据。

适于PMOSFET的局部双轴压应变Si_(0.8)Ge_(0.2)的生长

通过控制局部双轴压应变SiGe材料的缺陷、组分与厚度,设置了多晶Si侧壁与Si缓冲层的特别几何结构,采用固态源分子束外延MBE设备生长了适于PMOSFET器件的局部双轴压应变Si0.8Ge0.2材料。经SEM、AFM、XRD测试分析,该材料表面粗糙度达0.45nm;Si1-xGex薄膜中Ge组分x=0.188,厚度为37.8nm,与设计值较接近;穿透位错主要由侧壁界面产生,集中在窗口边缘,密度为(0.3～1.2)×103cm-2;在表面未发现十字交叉网格,且Si0.8Ge0.2衍射峰两侧干涉条纹清晰,说明Si0.8Ge0.2与Si缓冲层界面失配位错已被有效抑制。测试分析结果表明,生长的局部双轴压应变SiGe材料质量较高,可用于高性能SiGe PMOSFET的制备与工艺参考。

双轴应变对MoS_(2)/WS_(2)异质结热电性能的影响

低维化是提高材料热电性能的有效方法。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理和形变势理论,研究了MoS_(2)/WS_(2)异质结的能带结构和热电性能。研究结果表明异质结具有1.10 eV的间接带隙,且堆叠方式对异质结的能带结构影响较小。双轴应变可以起到能带调控的作用,并进一步影响塞贝克系数和电导率。n型和p型掺杂体系的功率因子分别在1%和3%的压缩应变情况下得到显著提高。研究证实了施加双轴应变是提高异质结热电性能的有效方法。

一种双轴岩石平面应变仪的改进和应用

改进制作了一种双轴岩石平面应变实验装置,并自行设计制作了侧向加力器。该装置不仅能施加合适的围压,而且能在实验过程中动态监控围压的变化。对砂岩的实验测试研究表明,这种改进后的双轴岩石平面应变仪能更好地模拟岩石平面应变的条件,具有较好的实用性。

等双轴拉应变对无纺土工织物孔径变化的影响

无纺土工织物作为一种反滤材料,在工程中常受土体作用产生平面双轴拉应变,导致织物孔径变化。基于无纺织物空间网络孔径模型,改进Rawal公式中织物孔径结构总层数的算法,并提出等双轴拉伸下织物孔径分布曲线的解析解。利用自主研发的双轴拉伸仪,将两种针刺无纺织物等双轴拉伸至应变为3%、5%、10%,采用应变控制下的干筛法,进行织物孔径分布曲线测试。将解析解与试验结果进行对比分析,解析解孔径值偏大,所得解析曲线与测试曲线对于较薄织物吻合更好。研究结果表明,随着双轴拉应变的增加,无纺织物孔径增大,其特征孔径O95、O50、O30都近似与拉伸应变呈线性变化关系。

具备双轴拉伸性褶皱CoFeB薄膜制备与高频磁性能

通过将柔性CoFeB薄膜粘贴到双轴预应变基底聚二甲基硅氧烷(PDMS)上制备具有人工起皱表面结构的双轴可拉伸磁性薄膜。采用振动样品磁强计(VSM)对样品进行静态磁性表征,结果表明所制备的CoFeB薄膜均表现出面内的单轴磁各向异性,这主要由样品的褶皱形貌引起。样品表面的不规则褶皱结构导致了其磁各向异性方向偏离纵向。动态磁性表征结果表明样品的高频磁性可以通过施加的双轴应变进行调控,实现了其共振频率的正拉伸依赖性,从而避免样品在拉伸状态下的失效,这对于微波软磁薄膜在可拉伸高频电子器件中的应用具有重要意义。施加双轴应变状态下的CoFeB薄膜的受力分析模型能够很好解释这种应变调控作用。

非对称双轴张应变对锗能带的影响

采用第一性原理方法系统地研究了沿(001)、(101)和(111)面施加晶面内各方向应变不相等的双轴张应变,即非对称双轴张应变对锗能带结构的影响.结果表明:对于沿(001)面施加非对称双轴张应变,至少某一个方向应变大于2.95%,间接-直接带隙转变才能发生;对于沿(101)面施加非对称双轴张应变,至少某一个方向应变大于3.44%,间接-直接带隙转变才能发生;然而,沿(111)面施加非对称双轴张应变,不发生间接-直接带隙转变.另外,研究还发现无论是施加对称双轴应变还是非对称双轴应变,间接-直接带隙转变得到的应变Ge带隙值都与应变前后拉伸面面积变化大小成反比.

基于锡组分和双轴张应力调控的临界带隙应变Ge1-xSnx能带特性与迁移率计算

能带工程通过改变材料的能带结构可以显著提升其电学和光学性质,已广泛应用于半导体材料的改性研究.双轴张应力和Sn组分共同作用下的Ge_(1-x)Sn_x合金,不仅可以解决直接带隙转变所需高Sn组分带来的工艺难题,而且载流子迁移率会显著提升,在单片光电集成领域有很好的应用前景.根据形变势理论,分析了(001)面双轴张应变Ge_(1-x)Sn_x的带隙转变条件,并给出了在带隙转变临界点Sn组分和双轴张应力的关系;采用8κ·p方法,得到了临界带隙双轴张应变Ge_(1-x)Sn_x在布里渊区中心点附近的能带结构,进而计算得到电子与空穴有效质量;基于载流子散射模型,计算了电子与空穴迁移率.计算结果表明:较低Sn组分和双轴张应力的组合即可得到直接带隙Ge_(1-x)Sn_x合金,且直接带隙宽度随着应力的增大而减小;临界带隙双轴张应变Ge_(1-x)Sn_x具有极高的电子迁移率,空穴迁移率在较小应力作用下即可显著提升.考虑工艺实现难度和材料性能两个方面,可以选择4%Sn组分与1.2 GPa双轴张应力或3%Sn组分与1.5 GPa双轴张应力的组合用于高速器件和光电器件的设计.

双轴张应变对锗激光器工作性能的影响

为探索锗激光器的性能优化方案,建立了基于双轴张应变的双异质结法布里-珀罗电激励式边缘发射锗激光器模型.通过该模型讨论了双轴张应变与最优掺杂密度的关系,分析了不同双轴张应变和掺杂条件下阈值电流密度、电光转换效率等激光器参数的变化.结果表明:最优掺杂密度随着双轴张应变的增大而减小,过高的掺杂则导致激光器工作性能的下降;在同等掺杂条件下,光增益以及增益的峰值波长会随着双轴张应变的增大而增大;与文献数据相比,在0.8%双轴张应变和对应的最优掺杂密度(8×1019cm-3)下,锗激光器的阈值电流密度降低至文献数据的1/10,电光转换效率提升了约10倍.

双轴拉伸应变对二硫化钼单层能带结构的影响

研究了室温下双轴拉伸应变对2H型二硫化钼单层电子能带结构和声子谱的影响。研究结果表明,二硫化钼单层的电子能隙随应变强度的增加而线性递减,而声子谱与应变的依赖关系则较弱,意味着在所考虑的应变强度范围内,材料结构并没有被破坏,为进一步研究室温下双轴拉伸应变对受电子-声子散射影响的二硫化钼单层的载流子迁移率的影响奠定了良好的基础。结果完全是基于第一性原理计算得到,没有采用任何经验参数,因此计算结果对实验具有可靠的理论指导依据。

二维MoSi_(2)N_(4)/WSe_(2)异质结的第一性原理研究

实验上新合成的MoSi_(2)N_(4)(MSN)由于其独特的七原子层结构和电子特性引起了人们的广泛关注.本文搭建了一种由二维MSN与二维WSe_(2)(WS)垂直堆垛而成的二维MSN/WS异质结并基于第一性原理计算对其电子性质进行了计算,其表现出直接间隙半导体和I型能带排列的特性,具有1.46 eV的带隙.在异质结界面处存在一个由电荷耗尽层MSN指向电荷积累层WS微弱的内建电场.最后,通过施加双轴应变对二维MSN/WS异质结进行调控.发现在正双轴应变的作用下,MSN/WS异质结保持了原来直接带隙半导体和I型能带排列特性;在负双轴应变作用下,MSN/WS异质结由原来的直接带隙半导体转变为间接带隙半导体,当施加的负双轴应变达到-6%与-8%时,I型能带排列转变为Ⅱ型能带排列.

延续摩尔定律的新材料——应变Si

介绍了应变Si材料的需求背景和必要性。阐述了在MOS器件中使用衬底致双轴应变后器件性能的改善,在总结了与工艺致单轴应变相比衬底致双轴应变的不足以及工艺致单轴应变的优势之后,讲述了基于SiGe源漏和基于双应力线的两种工艺致单轴应变技术及其对MOS器件性能的提高。简单介绍了国际上近年来对应变Si材料与器件的研究发展状况和应变Si技术达到的各种水平,以及国内对应变Si的研究状况,并对应变Si技术的使用优势和应用前景做了简单分析。

TiN附着膜的应力-应变关系

利用等离子体辅助化学气相沉积法(PACVD)在60Mn钢基片上沉积2.5μm厚的TiN膜,借助X射线应力分析技术和微拉伸设备,测量该附着膜纵向(加载方向)应力和横向应力及外载应变,进而求其等效应力-等效单轴应变关系,并由此算得它的条件屈服点σ_(0.1)和σ_(0.2)分别为4.2和4.4 GPa,加工硬化指数为0.36,用纳米压痕仪测得其硬度为25 GPa,弹性模量为420 GPa,TiN膜在拉伸过程中发生了塑性变形。

MoX_(2)/MgPSe_(3)(X=S、Se)电子结构与光学性能的理论研究

文章采用密度泛函理论方法,研究二维MoX_(2)/MgPSe_(3)(X=S、Se)异质结的电子结构和光学性能。能带结构和态密度分析发现,MoSe_(2)/MgPSe_(3)和MoSSe/MgPSe_(3)_Ⅱ具有显著的Ⅱ型能带结构,并且该异质结的导带底(conduction band minimum,CBM)和价带顶(valence band maximum,VBM)分别在水的氧化还原电势(-4.44、-5.67 eV)两侧,该能带结构有利于该材料在光催化析氢方面的应用。通过对MoX_(2)/MgPSe_(3)施加均一的双轴应力,发现双轴应变对MoX_(2)/MgPSe_(3)的带隙有明显的线性调控作用,线性调控作用在压变传感方面有应用价值。光吸收系数的计算发现,MoSSe/MgPSe_(3)在紫外光区域的吸收强度相比较单独的MgPSe_(3)和MoX_(2)有显著的提高,说明异质结对于改善材料的光学性能具有重要作用。