硅纳米线掺杂的结构调控和电子学性质的理论研究

Synthesis of silicon nanowires (SiNWs) has been well-developed, as the nano-meter sized materials have been studied a lot. However, there are still many a problems before SiNWs could be used in the nano-devices in reality, such as the doping of SiNWs. In this project, first principle and molecular dynamics would be employed, calculating the total energy to reveal the effect of point defects (vacancy and B/P doping) on the stability of SiNWs. As the distribution of the defefect position being considered, the relationship between defect density and the defect-defect interaction would be investigated. The migration mechanism of the defect in SiNWs and the stable structure of the doped SiNWs would be obtained, based on this theoretical simulation. More over, coupling between the local electrons induced by the defect and the electrons in the SiNW would be concerned of, and the effect of the local electronic state on the total band structure of the SiNW would be clarified. It would be regared as evidence that the vacancy and B/P doping take effect on the electronic property of the SiNWs. Combined with Non-equilibrium Green Function, I-V curves of the defective SiNWs would be computed, indicating the relationship between the quantum transport and the configuration of the point defect. Completion of this project is of importance to the technique of obtaining the stable structure of SiNW with dopant. It is also a theoretical reference to the potential applicaitions of the SiNWs in electronic and electric fields.

基于纳米制备技术的快速发展，硅纳米线的制备已渐趋成熟，但是构筑硅纳米线的器件仍然面临许多核心问题，特别是硅纳米线掺杂的调控等基础课题。本项目拟采用第一性原理结合分子动力学方法，通过总能计算揭示点缺陷（空位及硼、磷原子掺杂等）分布和缺陷位置对硅纳米线结构稳定性的影响；考虑缺陷位置分布之间的关联，弄清硅纳米线的缺陷浓度与缺陷耦合的关系，获得硅纳米线中缺陷的迁移机理，理论上实现硅纳米线有效掺杂的稳定结构。进一步通过考虑硅纳米线中点缺陷的局域电子与基体扩展电子的相互作用，弄清缺陷局域电子态分布与硅纳米线能态结构的关系，展示空位缺陷及硼、磷掺杂的局域电子态对硅纳米线电子学性质的影响。结合非平衡格林函数方法计算，获得具有点缺陷的硅纳米线的电流-电压分布，揭示硅纳米线的量子输运特性与点缺陷的关联。本项目的完成对实现硅纳米线掺杂的稳定结构具有重要意义，为硅纳米线实际应用提供理论基础。

纳米材料仍然是当今材料研究的热门课题，实验室工作不断地报道新的结构的发现及新的性质的揭示，而计算物理在这方面的应用也日趋普遍。我们的主要工作在于对未知结构的猜想和预测，对实验结果的合理解释和对已知结构的性质预测等等，已成为纳米材料研究中不可或缺的工具和参考。.本项目从硅基纳米材料出发，采用密度泛函理论和分子动力学相结合的方法，运用SIESTA等计算软件，计算研究硅/碳材料结构、缺陷及缺陷对物理性质的调控，研究对象包括硅纳米线、碳纳米管、富勒烯、石墨烯等；我们在缺陷掺杂等实验方法的启迪下探索了硅硼氮陶瓷材料的纳米结构及物理性质，提出一种可能的硅硼氮陶瓷原子结构模型；与此同时展开了与实验课题组的大力合作，对碳纳米管/锗纳米线器件、ZnSe孪晶材料等也做出细致研究，并得到有意义的计算结果。.（1）硅纳米线的横截面形状对其电子学性质具有重要影响，其表面/体积比是调控其电子学性质（能带结构）最为重要的参数之一；硅纳米线中点缺陷（空位缺陷、替位原子或间隙原子）的局域影响仅需作为缺陷态处理，在缺陷浓度较低的情况下。.（2）石墨烯-富勒烯复合体展示出可能有的压电效应。在石墨烯与富勒烯(C60）的复合结构上施加压应力，体系的电子学性质（能带结构）会发生显著变化，禁带带宽可从有到无，这就意味着该结构作为可能的纳米开关，将可以在纳米器件中得到应用。.（3）硅硼氮陶瓷高温下光学性质会发生显著变化，可作为高温隐形材料加以应用。在3000K高温下模拟硅硼氮陶瓷材料，其吸收系数和反射系数均显著减小，我们将这一现象归咎于非晶相转变。.（4）金属电极在碳纳米管或锗纳米线中熔融并发生可控移动，这对纳米材料及纳米器件制备都是非常重要的参考。由于实验观测到了金属电极在上述管状材料中的移动，而其机理无法解释。通过理论计算我们发现，此过程存在电致迁移、热致迁移、扩散等多种机制，而电压在此为最主要的调控参数之一。这一结果的获得对实验的进一步研究提供了非常重要的参考和指导。.（5）纵向ZnSe孪晶生长具有其特殊性，其结构所带来的特殊物理性质将在器件制备中得到更多应用。由于这类孪晶材料的结构稳定，均一性好，而在别的材料中较少出现，所以我们利用理论工具分析其可能的结构及相变机理，较好的解释了实验结果，并对其进一步的应用提出了指导。.基于上述工作，该项目的完成基本达到了预期的目标，同时为我们的后续工作做好了准备。