半导体纳米结构带隙的应变调制

摘要

纳米材料和纳米结构的“应变工程”能有效调制体系的力、热、光、电等物理和化学性质，近年来成为凝聚态物理学和材料科学研究领域内的焦点问题之一。由于纳米材料体系高的比表面和表面原子具有的配位缺陷特征，体系一般处于自平衡态，具有的自平衡应变能极大地影响着体系的性能。除此之外，外场如温度和应力的作用也能对体系的性能进行有效调制。
　　 基于最近发展的键长-键能机理，以半导体纳米结构如纳米晶、纳米线等为研究对象，研究了自平衡应变和外场作用下的体系应变对体系带隙漂移的影响，提出了形变势关系。取得的主要进展概述如下：
　　 1.研究了尺度依赖的SnO2纳米晶和纳米线带隙变化，并从形变势角度提出了应变与带隙漂移的关系。发现对于纳米晶和纳米线，体表比差异主导着带隙变化的尺寸效应，而且表面原子层收缩诱导的自平衡态应变是体系带隙漂移的物理起源。
　　 2.提出了ZnSe纳米晶带隙的尺寸和温度效应的理论模型。理论研究指出：在外场作用下，自平衡态应变和热应变是引起纳米晶带隙漂移的主要因素。外场作用能引起体系单键能的变化，影响原子间相互作用，且小的尺寸和高的温度对于体系的带隙变化呈现出一种竞争的关系。
　　 3.探索了具有不同截面形状的Si纳米线的边缘效应对带隙漂移的影响，提出了解析的物理模型。具体考虑了四种常见的三角、四方、六角和圆形横截面结构，发现其边界原子的异常能态将影响体系的能带结构。计算结果表明，相比于其它结构，三角截面的纳米结构具有最大的形变势，其次为四方一六角一圆形，理论结果与目前实验上观测到的现象非常吻合，给纳米器件的光电性能调制提供了一种理论依据。