直接带隙半导体In_(2)(PS_(3))_(3)单层结构与电子特性的第一性原理研究

高载流子迁移率和可调直接带隙是低维电子器件应用的两个关键特性.但目前发现的此类二维材料稀少.鉴于此在第一性原理计算的基础上,本文系统研究了In_(2)(PS_(3))_(3)单层的稳定性、电子结构性质和机械性质.研究结果表明,In_(2)(PS_(3))_(3)单层是具有直接带隙的半导体材料(1.58 eV).在-3%到3%应变下,In_(2)(PS_(3))_(3)单层的带隙是可以调节的(1.3~1.8 eV).声子谱、分子动力学和弹性常数的计算结果表明,In_(2)(PS_(3))_(3)单层是热力学、动力学和机械稳定的.此外,In_(2)(PS_(3))_(3)单层的剥离能(0.21 J m^(-2))小于石墨烯的剥离能(0.36 J m^(-2)),有望像石墨烯一样机械剥离得到.这些优异的的性能使得In_(2)(PS_(3))_(3)单层有望成为未来纳米光电子设备的候选材料之一.

基于改进PSO-BP神经网络算法的半导体材料带隙宽度预测

半导体材料的带隙宽度对其性能有重要影响,准确预测带隙宽度对半导体材料的研究具有重要意义。通过密度泛函理论计算半导体材料带隙宽度通常需要耗费大量的时间且预测精度较低,因此建立了一种基于统计学方法和改进PSO-BP神经网络算法的半导体材料带隙宽度预测模型,用于提高带隙值的预测精度。该模型先通过统计学的方法对半导体材料带隙宽度数据集的特征属性进行分析和选择,而后利用改进的PSO-BP神经网络算法挖掘特征属性与带隙值之间隐含的数学关系。实验结果表明,该预测模型相比于对照模型的均方误差降低了25%以上,可靠性达到了75.15%,可广泛应用于需要大量预测半导体材料带隙宽度的场合。

直接带隙半导体系统中的磁相互作用

运用精确的量子蒙特卡洛技术,研究了直接带隙半导体系统(Haldane-Anderson模型)中的磁相互作用.精确的数值解揭示了两种截然不同的自旋关联函数,均没有显示出明显的RKKY振荡行为;并且随着不同参数的变化,自旋关联函数呈现相当复杂的多因素控制的显著特征.这些行为对于理解一些磁性的半导体系统会有很大帮助,例如,稀磁半导体等.

密度泛函理论计算半导体材料的带隙误差研究

针对采用局域密度近似或广义梯度近似的密度泛函理论导致半导体材料的带隙计算值偏小的问题,选取砷化镓为研究对象,通过压缩晶格体积调节砷化镓的带隙,利用杂化泛函法与广义梯度近似法计算砷化镓的带隙。结果表明:利用局域密度近似或广义梯度近似法计算的带隙误差会随着砷化镓带隙的减小而减小,但当实际带隙为0时,利用局域密度近似或广义梯度近似法计算的带隙误差仍然存在;引起局域密度近似或广义梯度近似法带隙计算值偏小的主要原因是半导体材料价带的最大值和导带的最小值处波函数的不连续性。

非层状二维CdSe的制备及厚度对带隙的影响

二维半导体材料的天然带隙有望弥补石墨烯的零带隙缺陷,打破后者在场效应晶体管、开关器件、逻辑电路等领域的应用瓶颈. 相较于层状半导体材料,非层状半导体材料多以较强的离子键/共价键结合,且各向同性,因此要获取其二维结构存在一定挑战. 本论文通过化学气相沉积法实现了非层状CdSe在云母衬底上的二维各向异性生长. 详细表征了二维CdSe的微观形貌、晶体结构和光学特性等. 结果表明,样品具有显著的光致发光 (PL )效应,说明厚度减薄至纳米级时不会破坏CdSe的直接带隙属性. 此外,随着厚度减小,样品的PL峰逐渐蓝移. 为了进一步解释该现象,采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,研究了不同厚度的CdSe的能带结构,结果显示均为直接带隙,且随厚度减小,带隙值增大,与实验现象吻合. 由此可知,通过生长参数调控二维CdSe的厚度,即可实现对其带隙的有效调控,这对相关光电器件的性能提升具有指导意义.

硅基半导体光电子材料的第一性原理设计

具有特定功能的半导体材料的计算设计,是计算材料科学的一个重要研究领域.由于半导体的诸多性质取决于价带顶和导带底的电子态及其中的载流子分布,因此带隙的大小和能带极值的对称性便成为半导体材料设计最受关注的问题.为了进一步解决硅基光电子集成(OEIC)技术发展的瓶颈,设计具有直接带隙特性的硅基新材料并使其成为有效的光发射体,是一项富有挑战性的工作.本文在分析大量半导体能带结构的基础上,给出类sp系列半导体由间接带隙过渡到直接带隙的主要物理机制,并以对称性概念、芯态效应和电负性差效应为基础,提出一种新的直接带隙半导体材料设计方案.根据这个方案所表达的设计思想,我们对当前十分受关注的硅基光发射材料进行了计算设计.结果发现,用VI族元素在硅生长时进行周期性插层的、具有正交和四角点群对称性的人工微结构材料VIA/Sim/VIB/Sim/VIA具有直接带隙特性.其中当m=5或奇数时,材料有四角结构对称性,而m=6或偶数时是正交结构对称性.VIA(B)是在<001>生长方向生长的单层VI族元素.这类材料的优点在于可自然地与硅实现晶格匹配,与微电子技术相兼容,并可较容易的用现行的MBE、MOCVD或UHV-CVD生长方法实现.预期这类新材料及其相应器件的研制开发,将大大开拓全硅OEIC和硅光子集成(PIC)技术的进一步发展.

一种新型环境半导体材料——β-FeSi_2

文章叙述了β-FeSi2环境半导体材料的晶体和半导体的基本性质:它具有0.80ev～0.89ev的直接带隙,对于红外波长有很高的吸收率;它掺入不同杂质的同时制成P型和N型半导体,避免了由于半导体两只脚材料的热膨胀系数不同而引起的热电元器件制作上的困难。文章还介绍了近些年来国内外的研究现状,同时还指出了存在的问题和研究方向。

半导体CdS_(1-x)Se_x纳米材料的制备、表征及吸收光谱研究

使用二氯化镉(CdCl2.2.5H2O)、硫粉(S)、硒粉(Se)为原料,用乙二胺作溶剂,在180℃的温和条件下,通过改变原料中硫、硒的组分,合成了固溶体半导体CdS1-xSex(0≤x≤1)纳米材料,用XRD、TEM、SAED进行分析表征,产物为六方相、直径约20nm左右、长度约500nm左右的短棒状结构.依据XRD图,对产物的晶格常数随组分x的变化关系进行了研究,其变化关系遵从Vegard定律;测量了产物的紫外吸收光谱,对其能带隙随组分x的变化关系进行了研究,说明可通过对组分x的控制来调制材料的带隙.

半导体ZnO晶体生长及其性能研究进展

ZnO晶体是直接宽带隙半导体材料,室温下禁带宽度为3.37eV,激子束缚能为60meV。其禁带宽度对应紫外光的波长,有望开发蓝绿光、蓝光、紫外光等多种发光器件。对ZnO晶体的生长方法及研究进展做了简要的叙述。

科研人员合成半导体型类MXene二维过渡金属碳化物材料

随着柔性透明电子技术的兴起,二维半导体材料近年来备受关注,特别是直接带隙特性使得这些二维结构有望应用在光电子学领域。在过去十年里,研究者们已相继发展出MoS2和磷烯等典型的具有直接带隙的二维半导体材料。然而,MoS2的带隙是层数依赖性的,直接带隙仅能在单层结构中实现。

光子晶体——一种新型人工带隙材料

光子晶体是近十年来才发展起来的存在光子禁带的一种新型人工材料,具有操控光子行为的独特能力,在众多领域有着广泛的用途。介绍了光子晶体的结构特征,分析了光子带隙产生的物理机理,着重介绍了光子晶体材料中存在的新现象及其应用。

环境友好半导体Ca_2Si晶体生长及其性能研究

环境友好半导体材料Ca2Si晶体是直接带隙半导体,在室温下,其禁带宽度为1.9 eV,且在4.5 eV以下能量范围内,Ca2Si的光吸收系数大于β-FeSi2,因此,有望使用Ca2Si开发发光二极管、高效率太阳能电池等。综述了近年来Ca2Si的晶格特性、光电性质及其制备方法的研究进展,由于现有的制备方法不适合大面积的制备Ca2Si材料,因此,提出了利用磁控溅射技术制备Ca2Si材料的设想。展望了Ca2Si的应用前景,探讨了当前Ca2Si研究领域中存在的问题。

半导体激光器的发展及其应用

本文对半导体激光器的工作原理。

2μm锑化物半导体激光器光纤输出模块

锑化物作为窄带隙半导体材料,禁带宽度覆盖了1.5~5μm波段,是中红外波段半导体激光器理想的材料体系,利用锑化物半导体激光器产生短波红外(2μm)激光是目前的研究热点,可为红外激光对抗、生物显微镜、医学照明、塑料焊接等提供优质光源。笔者团队与中国科学院半导体研究所合作,自2017年以来开展了2μm波段锑化物半导体激光器技术及其应用研究。最近,研究组利用石英光纤透镜直接耦合0.5 W激光芯片获得了0.28 W的短波红外激光输出。

直接带隙硅基超晶格Ⅵ_((A))/Si_m/Ⅵ_((B))/Si_m/Ⅵ_((A))的设计

Si基光发射材料由于它具有与先进的Si微电子技术兼容和成本低廉的优势,是光电子集成(OEIC)工程应用的首选材料.但由于体材料Si属于间接带隙半导体,不可能成为有效的光发射体.如何设计具有直接带隙硅基材料,备受实验研究工作者和材料设计理论工作者的关注.本文介绍一种新的硅基超晶格Ⅵ(A)/Sim/Ⅵ(B)/Sim/Ⅵ(A)的能带结构计算.在密度泛函理论框架内,采用混合基从头算赝势法模拟计算表明,其中Se/Si6/O/Si6/Se及Se/Si6/S/Si6/Se超晶格具有相当理想的直接带隙特征,其带隙处于红外波段.预期这类新材料及有关器件会有优越的光发射和各种光学性能,其制作也可较方便地与硅微电子工艺兼容.预计该材料在信息光电子领域将有强大的应用潜力.

基于散射单元的声子晶体振动带隙研究

硬质芯体及其包覆层构成的复合结构称为散射单元 ,散射单元按照特定的排列方式可以构成声子晶体。文章采用有限元方法分别计算了立方散射单元构成的一维声子晶体及简单立方结构三维声子晶体的振动特性 ,结果表明 ,两种声子晶体的振动带隙有较好的一致性 ,因此 ,对三维声子晶体振动带隙的研究可以简化为对一维声子晶体振动带隙的研究。叠加层数、芯体材料对一维声子晶体振动带隙的影响在文中进行了讨论。最后 ,声子晶体的振动特性测试结果验证了文中的结论。

飞秒激光诱发直接带隙半导体瞬态漂白效应建模

在建立瞬态光谱吸收系数模型的基础上,结合超快载流子动力学机制,建立了可以描述飞秒激光诱发直接带隙半导体瞬态漂白机制的理论模型,对飞秒激光诱发直接带隙半导体的瞬态漂白特性进行了数值仿真研究。结果表明,飞秒激光不仅可以诱发对应波长的瞬态漂白,还能导致激发波长到半导体长波限的宽光谱范围的瞬态漂白,且波长越长漂白现象越明显,甚至会引发能带底部出现负吸收现象。

ZnSe及ZnSe/GaAs异质结构中压力导致的直接禁带向间接禁带的转变

用经验赝势方法计算了体ZnSe以及ZnSe/GaAs单异质结系统中ZnSe外延层Γ、X、L等特殊对称点导带底能量随压力的变化。结果表明 ,同Si、Ge、GaAs等半导体材料不同 ,ZnSe的X点导带底具有正的压力系数 ,但比Γ点的压力系数小 ,这是ZnSe材料以及ZnSe基异质结构材料发生直接禁带向间接禁带的转变时所需转变压力较大的根本原因。研究了ZnSe/GaAs异质结构中晶格失配造成的应变对外延层Γ、X、L对称点压力系数的影响 。

应变Ge_(1-y)C_y合金的带隙

采用基于局域密度泛函理论和虚晶近似下的从头赝势法 ,研究 Si(0 0 1)和 Ge(0 0 1)衬底上的应变 Ge1-y Cy 合金 ,其带隙随碳含量和晶格失配度的变化情况 .结果发现 ,带隙对应变条件非常敏感 .硅衬底上应变 Ge1-y Cy 合金的带隙随碳组分的增加而增加 ,而锗衬底上应变 Ge1-y Cy

碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)谁是宽禁带(WBG)材料的未来?

到目前为止,半导体材料已经过了三个发展阶段——第一代半导体是硅(Si),第二代半导体是砷化镓(GaAs),第三代半导体又称宽带隙半导体(WBG)则是碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)。