半導體納米結構缺陷及儲氫的第一性原理研究.pdf

1、半導體納米結構由于其獨特的物理特性以及在光電領域中潛在的應用受到人們的廣泛的重視，隨著研究的深入，各種新穎的低維納米結構如納米管、納米絲、納米帶、納米薄膜和納米同軸電纜等相繼被發(fā)現(xiàn)。GaN、AlN納米線與納米管都是非常重要的半導體納米結構材料，它們在自旋電子學、儲氫、光電轉換、催化等方面都有著廣泛的應用。探究半導體納米結構體系的磁性來源一直是磁電子學領域研究的熱門課題，而尋找儲氫容量大，又容易釋放氫的新型納米結構材料是氫能大規(guī)模應用的關

2、鍵。由于半導體納米結構的復雜性，實驗的研究難度很大。隨著計算機硬件技術和量化計算方法的不斷發(fā)展，計算模擬已成為材料科學研究的重要方法。
　　 本文采用第一性原理方法主要研究了(1)空位在GaN納米線中誘發(fā)磁性，為了比較計算結果，我們也計算了GaN三維塊體和二維薄膜中的空位；(2)鋸齒型和扶手椅型AlN納米管吸附H原子和H2分子；(3)Si表面吸附Mn原子和Nb團簇。主要結論如下：
　　 1、纖鋅礦GaN塊體材料、二維薄膜

3、和一維納米線中，本征缺陷Ga空位都可以形成。對于GaN(1120)薄膜結構，在薄膜表面形成Ga空位所需的形成能明顯小于表面下層結構的形成能。在一維GaN納米線內部，形成Ga空位所需的能量與塊體和薄膜表面下層結構接近，而在GaN納米線的表面，形成能減小了很多，這表明Ga空位更容易在GaN納米線的表面形成。這是因為在GaN納米線表面需要打破的Ga-N共價鍵比內部要少。無論Ga空位位于GaN塊體材料和薄膜中任意位置，每個Ga空位都可以產(chǎn)生3.

4、0μB的磁鉅。純的和氫原子鈍化的GaN納米線的表面形成的Ga空位，每個Ga空位可產(chǎn)生1.0μB的總磁矩，而在納米線的內部每個Ga空位可產(chǎn)生3.0μB的磁矩。盡管Ga空位在納米線的內部產(chǎn)生的磁矩大于Ga空位在納米線的表面產(chǎn)生的磁矩，但是Ga空位更容易在GaN納米線的表面形成，這樣不經(jīng)過摻雜就可形成磁性納米線。無論Ga空位位于沒有進行幾何結構優(yōu)化的GaN納米線的任何位置，每個Ga空位都可產(chǎn)生3.0μB的磁矩，原子的馳豫僅影響納米線表面的磁矩

5、。GaN塊體、二維薄膜和一維納米線中，各種Ga空位結構磁性主要來自于Ga空位最近鄰N原子的自旋極化的N-2p電子軌道。對于兩個兩個Ga空位之間的耦合，所有結構更有利于鐵磁耦合，而且這種耦合為長距離鐵磁耦合。
　　 2、對于單個氫原子吸附在(8，0)和(5，5)AlN納米管內、外的各種可能的位置進行了計算，結果表明氫原子在管內和管外最穩(wěn)定的吸附位都是位于氮原子之上。當氫原子吸附在鋁原子和六角中心之上，整個體系具有磁性，總磁矩大約為

6、1.0μB，其主要來源于氫原子和最近鄰的氮原子。各種吸附結構的勢壘都比較小說明吸附結構不是很穩(wěn)定，吸附的氫原子很容易轉變成其它形式或者釋放出去。我們計算了氫原子覆蓋率為25％，50％，75％，100％，133％和200％的各種吸附體系的吸附能，結果表明氫原子覆蓋率為100％的結構吸附能最有利，這種吸附模式對應(8，0)和(5，5)AlN納米管的吸附能分別為-2.355和-2.305eV。對于氫分子吸附在鋸齒型和扶手椅型的AlN納米管內、

7、外的各種可能的位置進行了研究，我們發(fā)現(xiàn)所有氫分子吸附為物理吸附。吸附能最有利的吸附結構是氫分子位于(8，0)和(5，5)AlN納米管中鋁原子之上，考慮到每一個鋁原子在管內外都能吸附一個氫分子，這種吸附模式對應的氫質量密度為8.89％，它超過了美國能源局2010年設定的6％的目標。經(jīng)過幾何結構優(yōu)化，我們發(fā)現(xiàn)它仍就保留了非常完美的管狀結構，而且吸附能介于物理吸附的范德華力和化學吸附的化學鍵之間，大約為0.2～0.4eV。
　　 3、

8、對于緊密排列的Mn原子以及Nb4團簇在Si表面吸附計算，結果表明Mn吸附模型中的Si-Si二聚體的鍵長與干潔的Si表面比較相當程度的拉長，而且二聚物中的反對稱行顯著地被抑制。對于0.5 ML覆蓋度的Mn原子，i吸附位為能量最穩(wěn)定的結構；而1 ML覆蓋度的Mn原子，h+i吸附位為最穩(wěn)定的結構。在所有可能的吸附模式中，b吸附位的自旋磁矩最大。i和h+i吸附結構中Si表面明顯呈現(xiàn)金屬性。對于Nb4團簇吸附在Si(001)表面，我們發(fā)現(xiàn)四面體和