II-VI族半导体芯/壳纳米线异质结中的应变和掺杂

By controlling the material components, morphology, size, and doping, the electronic and optical properties of nanoscale heterostructures can be tuned over a wide range, leading to their potential applications in diverse areas such as photovoltaic devices and light-emitting diodes. Large lattice mismatch induces a significant built-in strain within the nanoscale heterostructures. However, there still a lack of comprehensive study on the separate impacts of quantum confinement, strain, and doping on the electronic structures of the heterostructures. In this proposal, we plan to systematically study the atomic and electronic structures of II-VI semiconductor core/shell nanowire heterostructures, based on first-principles calculations within density functional theory. We will investigate the dependence of built-in anisotropic strain on component and size, and quantify the relative impacts of quantum confinement and strain effects on electronic structures. We will further introduce external strain and dopants, analyzing the influence of external strain on the atomic and electronic properties, and exploring the possibility of controlling doping concentrations and doping sites by built-in strain. These studies will improve our understanding of the importance of strain in tuning the electronic properties of nanoscale heterostructures, and provide theoretical guidance for controlling the physical properties of nanoscale heterostructures by size, strain, and doping effects.

改变组分、形状、尺寸以及掺杂可以大范围调节半导体纳米异质结的电子结构和光学性质，因此这类体系在光伏器件、发光二极管等诸多领域有着广泛的应用前景。晶格失配导致纳米异质结中存在相当大的应变。然而，量子受限效应、应变、掺杂等因素对异质结的电子结构分别有怎样的影响，目前仍缺乏全面细致的研究。本项目拟利用基于密度泛函理论的第一性原理计算，系统地研究II-VI族半导体芯/壳纳米线异质结的原子结构和电子结构性质，寻找内建各向异性应变与组分、尺寸的依赖关系，定量分析量子受限效应和应变效应两者分别对电子结构的影响。在此基础上引入外加应变和杂质，分析外加应变对纳米线异质结的结构和电子结构性质的影响，探讨利用内建应变来调控掺杂浓度和掺杂位置的可能性。这些研究有助于人们进一步理解纳米异质结中应变对电子结构性质的重要调控作用，并为人们利用尺寸、应变和掺杂等多重手段调控纳米异质结的性质提供一定的理论指导。

应变、掺杂、界面是调控半导体体材料、低维材料、纳米结构、异质结构物理性质的重要手段。基于第一性原理计算，我们以半导体纳米线、异质结、低维结构界面等多种体系为研究对象，揭示了应变、掺杂、界面等调控手段对不同体系的原子结构、电子结构、磁性性质、生长模式等的影响。主要研究内容包括以下几个方面：(1) 研究了单轴应变对II-VI族纳米线能隙、有效质量等电子结构性质的调控，并比较了与体材料变化规律的异同，揭示了纳米线中空穴态的复杂行为。(2) 分析了II-V族纳米线异质结中的应变分布，利用应变和量子受限效应效应解释了异质结能隙随组分、尺寸的变化。(3) 确认了稀铋化合物InPBi中施主类型，研究了铋与施主形成的复合缺陷性质，分析了铋组分对施主浓度的影响，并由此解释了电子浓度随铋组分增加的非单调变化。（4）通过理论计算研究铝原子在石墨烯上的吸附于扩散，并考虑了缺陷的影响，结合实验解释了范德瓦尔斯外延体系中AlN在石墨烯上生长初期的生长机制；通过研究石墨烯/AlN界面应力，提出了石墨烯对AlN外延层的应力释放的一种可能机制。（5）提出可通过改变掺杂原子的位置来调控锯齿型石墨烯纳米带基态磁性性质。