基于绝对形变势的共轴纳米线的能带设计

绝对形变势是描述电子－声子相互作用以及能级位置随晶格体积变化的一个重要物理参数，在量子阱和纳米晶材料的能带设计中有重要应用。本项目中我们通过采用同质超晶格以及晶体Harmonic函数展开的方法，成功解决了第一性原理计算中两个不同体系之间的能级不能直接比较的历史难题，并给出了计算各种非极性以及极性半导体绝对形变势的方法，使得绝对形变势作为一种新的物理参数在将来的材料设计中可以发挥重要作用。本项目中我们将计算所有II-VI、III-V、IV以及部分金属氧化物半导体导带底和价带顶的绝对形变势，并根据计算的绝对形变势进一步计算各种半导体材料在平衡体积下的能带偏移。通过分析两两半导体材料导带底和价带顶的相对位置，以及共轴纳米线内外壳层的形变对导带底和价带顶能级位置的影响，从各种半导体材料中选择合适的内外壳层材料，使这种共轴纳米线能够应用于可见光催化分解水。

在本项目资助下完成了共轴纳米线可见光催化分解水的能带设计。通过计算得到的IV，III-V和II-VI半导体平衡体积下导带底和价带顶的相对位置，我们对所有满足条件的半导体材料进行筛选。利用绝对形变势数据对形变引起的能带位置变化进行计算，找到了几组满足可见光催化分解水的共轴纳米线材料：AlN/AlAs(1.8eV), GaN/GaP(1.5eV) , GaN/InN(1.8eV), CdS/CdSe(2.1eV), ZnSe/CdSe(1.9eV)。其最小带隙都在可见光范围，同时导带底和价带顶的位置也和水的氧化还原电位匹配。其中GaN/InN和ZnSe/CdSe最有希望，InN实验测得的带隙要小于理论值，而ZnSe和CdSe可以组成ZnCdSe的三元化合物，可以更灵活的调节带隙。对于氧化物半导体，我们认为基于界面的中间带设计是最可行的方案。本项目主要对Si和ZnO两种半导体材料的界面进行了研究。计算了Fe在Si sigma3(112)晶界的分凝，发现Fe原子处于晶界五环顶端的替代位置，和实验观察一致，分凝能为0.36eV。Fe原子在晶界的分凝，自发的形成稳定的Fe-Si原子链。在铁磁有序情况下，晶界表现出半金属性质，自旋向下带隙为0.20eV。在ZnO sigma7晶界的研究中发现，晶界处O原子的悬挂键在带隙中产生深能级，对载流子复合产生影响。Oi进入晶界后和界面O的悬挂键成键，发生电荷转移，并在带隙中形成深能级。在p型情况下，Oi的电荷完全被晶界O原子屏蔽，并不会如文献报导中的在界面层产生肖特基势垒。Vzn在界面处的形成能下降1.9eV，接近0eV，甚至比施主Ho的形成能还低0.20eV。意味着在热力学平衡下晶界处有大量Vzn产生。从电离能看，界面处Ho的电离能变大，为0.25eV，不能有效给导带提供电子。在考虑界面能带偏移的影响后 ，Vzn为浅的受主。我们认为Vzn是ZnO界面p型导电层的真正起源。