非平衡态下二维宽带隙半导体中缺陷和掺杂性质的研究和调控

Comparing with the traditional bulk materials, low dimensional materials have novel physical properties and rich physical connotation. However, there are still some key physical problems that have not been solved. For example, how to effectively control the defects to manipulate the properties of two-dimensional materials, especially by means of nonequilibrium. At present, the theoretical research on defect of material is mainly under the equilibrium conditions. Therefore, it is of great significance and guidance for the research and application of the two-dimensional materials to develop the theory of defect and doping under nonequilibrium conditions. The purpose of this project is to study the properties of some typical two-dimensional wide bandgap semiconductors under nonequilibrium conditions by high-precision theoretical calculation and simulation, and to manipulate the defect doping properties by strain and illumination. The in-depth discussion of the nonequilibrium theory will help to design a device with more promising new features and super-stability.

低维材料相比于传统的体相材料有着新颖的物理性质和丰富的物理内涵，所以近年来有许多工作都围绕着低维材料来进行。然而还是有一些关键性的物理疑难问题并没有得到解决。比如，如何有效的控制缺陷来调控二维材料的性质，尤其是通过一些非平衡态的手段。目前对材料缺陷理论研究主要还是停留在平衡态理论上。因而，发展非平衡态的缺陷和掺杂理论，对二维材料中基础科学问题研究和应用将有非常重要的意义和指导作用。本项目旨在通过高精度的理论计算和模拟，对一些典型二维宽带隙半导体中缺陷在非平衡态下的性质进行研究，并且考虑应力，光照等作用对缺陷掺杂性质的调控。对非平衡态理论的深入探讨将有助于设计出具有新功能和超稳定性等更具应用前景的器件。

在过去几十年中，人们做了大量的工作发展了半导体的掺杂和缺陷理论。目前，大多数半导体缺陷物理的研究都集中在平衡态下。非平衡态下的理论研究相对较少。然而，最近的一些研究表明许多材料在非平衡条件下掺杂可以获得更好的缺陷性质。另一方面，近些年来二维体系的发展大大的拓宽了人们对材料的理解和认识。相比于传统的体相材料，二维体系有着许多新颖的物理性质和丰富的物理内涵。例如非平衡态外延生长，由于其表面的应力或者光照作用会使缺陷的掺杂性质发生很大的变化，这些变化在二维体系中显得比体相更加的明显，物理机制也有很大的不同。这部分的研究相对于传统的体相材料则更加的少了，然而二维系统对于将来器件的发展是十分重要的，所以研究二维体系在非平衡态下缺陷的性质，以及如何对其进行调控是十分必要的。.本项目主要用理论计算的方法，研究了半导体材料中复杂缺陷，以及二维体系形成和掺杂的性质。运用了包括密度泛函理论，动力学模拟，以及机器学习的方法，对材料平衡和非平衡态下的性质进行了研究。.我们研究发现：（1）螺位错作为半导体中有害的深能级，其特殊的几何结构会引入新奇的自旋效应，可用于制作自旋传输的器件；（2）为了研究非平衡态下材料的性质，我们应用了机器学习的方法，并将其运用到二维复杂表面重构的研究中，解决了半导体中最为复杂重构表面Si（111）7*7形成的问题；（3）运用二维材料形成异质结的方法，不仅对材料进行了掺杂，同时提升了材料的磁阻效应。这些研究成果使得我们对半导体中缺陷的性质有了新的认识，新的研究方法也为我们后面进一步处理非平衡态体系的问题打下了基础。我们的结果为实验进一步验证提供了指导，在半导体器件领域也有潜在的应用价值。我们的成果也获得了国内外同行的高度认可。