--维SiC纳米材料属性及其输运机理研究

碳化硅(SiC)是一种典型的宽禁带Ⅳ-Ⅳ族二元化合物半导体材料,是近年来发展起来的最具潜力的第三代半导体材料。碳化硅具有宽的带隙、高的电子饱和迁移率、大的临界击穿场强、高的热导率以及强的抗辐射能力等特点,在高温、大功率、高频、抗辐射、短波长发光材料以及光电集成器件等方面具有良好的应用前景。论文采用了密度泛函理论与非平衡态格林函数相结合的第一性原理计算方法,系统研究了SiC及其纳米材料的电子结构和属性；同时研究了SiC纳米管和纳米线的电子输运机理,从理论上分析了不同电极结合方式、不同偏压等因素对SiC纳米材料电子输运性能的影响。研究工作为实验制备SiC纳米材料和设计制备这类器件提供了理论参考依据。论文的主要内容和结果如下:
　　 1.采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法,系统研究了多型体SiC材料的几何结构和电子属性。研究结果显示SiC多型体材料均为间接宽禁带半导体材料,Si-C键具有强烈的sp3杂化分布特征。同时,采用B3LYP交换关联泛函方法研究了3C-SiC、2H-SiC的精细结构,计算结果显示价带顶能级分裂清晰,价带顶轨道能级分裂为一个二重兼并的px、py态和一个一重兼并的pz态,与已有实验数据吻合；禁带宽度计算结果明显得到改善,理论结果与实验值符合。
　　 2.系统研究了未饱和SiC纳米线和氢饱和SiC纳米线的电子结构和属性。结果显示未饱和SiC纳米线表面Si原子和C原子都发生了较大的驰豫,表现出明显的量子尺寸效应、表面效应和小尺寸效应,但氢饱和SiC纳米线外层原子只发生微小的驰豫。电子结构计算结果显示未饱和SiC纳米线都表现出间接禁带半导体的特征,而氢饱和SiC纳米线表现出直接宽禁带半导体特征。SiC纳米线光学性质计算结果显示随着未饱和SiC纳米线尺寸的增大,低能区介电峰都向高能方向移动,出现蓝移现象,而氢饱和SiC纳米线的整个图谱呈现局域化的特征,介电图谱都向低能方向发生了漂移,出现红移现象。因此可利用SiC纳米线的蓝移和红移机理制备不同发光性质的光电子器件。
　　 3.系统研究了单壁SiC纳米管、多壁SiC纳米管以及Fe掺杂SiC纳米管的电子结构和属性。结果显示单壁SiC纳米管和多壁SiC纳米管都可稳定存在；单壁SiC纳米管是直接禁带半导体材料,多壁SiC纳米管是间接禁带半导体材料；SiC纳米管中Si、C原子是一种典型的混合键半导体材料,具有sp2、sp3混合杂化现象；HOMO和LUMO轨道计算结果显示单壁SiC纳米管和多壁SiC纳米管具有不同的轨道分布特征,这对开发基于SiC纳米管光电子器件以及研究SiC纳米管电子输运机理具有重要的理论参考价值。SiC纳米管光学性质计算显示SiC纳米管是一种优异的光电子材料,具有良好的近紫外光和蓝光发射能力。Fe掺杂SiC纳米管电子结构和磁学性质计算结果显示,全弛豫的Fe掺杂SiC纳米管体系的局域对称性发生了明显变化,但整体保持一维管状结构,Fe替代C原子可形成反铁磁性材料,而Fe替代Si原子更容易形成铁磁性半金属材料,两种掺杂在基态情况下体系都发生了自旋极化现象,在费米能级附近形成了明显的p-d杂化效应,研究结果对揭示Fe掺杂SiC纳米管体系磁学属性具有重要意义。
　　 4.采用第一性原理与非平衡格林函数相结合的方法,系统研究了(8.0)SiC纳米管的电子输运特性。采用SiC纳米管作为电极时,孤立(8.0)SiC纳米管输运透射图谱呈现台阶状图谱特征,存在一个约1.1eV的透射谷；计算显示(8.0)SiC纳米管的伏安特性曲线呈对称分布,当偏压大于±2.2V时,电流迅速增大。电极采用金原子时,计算显示伏安特性曲线呈现不对称性分布,电流随着电压的增加呈线性增加,但在1.3V～1.7V偏压时,金电极与不同原子结合时都表现出负微分电导现象(NDC),但计算得到的电流值明显不同,表明采用不同的Si、C原子结合对SiC纳米管输运具有重要的影响,这对研究SiC纳米管输运机理和设计新的器件具有重要的理论参考价值。
　　 5.系统研究了SiC纳米线的电子输运特性。采用SiC纳米线作电极时,计算结果显示零偏压下SiC纳米线的透射图谱在费米能级附近呈现台阶状图谱特征,存在一个约0.5eV的透射谷,伏安特性曲线基本呈对称分布,当偏压大于±1.2V时,电流迅速增大。采用金原子作为电极时,计算结果显示在整个偏压范围内伏安特性曲线是不对称的,两种结合方式都出现了负微分电导现象(NDC),但出现负微分电导现象的偏压值明显不同,这对设计基于SiC纳米线的纳米电子器件具有重要理论参考价值。通过SiC纳米管和纳米线输运性能的对比研究,无论采用何种结合方式,计算结果都显示SiC纳米线具有比SiC纳米管更好的电子输运性能。