硅纳米晶体表面化学及掺杂密度泛函研究.pdf

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剥币签氢学位论文作者签名:了呜,蕊搬签字日/:\年;月H学位论文作者签名:⒁舶辏辉拢谌拢谌浙江大学研究生学位论文独创性声明究成果,也不包含为获得逝江太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。,允许论文被查阅和借阅。本人授权逝江太堂可以将学位论文的全签字日期:土。年本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文版权使用授权书有权保留并向国家有关部门或机构送交本论部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保C艿难宦畚脑诮饷芎笫视帽臼谌ㄊ存、汇编学位论文。
致谢本论文是在杨德仁教授和皮孝东副教授的悉心指导下完成的。谨向两位老师表示衷心的感谢。恩师严谨的治学态度,严于律己的工作作风,以及对我的谆谆教诲无不深刻地影响着我的整个学习研究阶段。衷心感谢量子力学从头计算领域的国内外前辈,他们的杰出工作是我取得成果的前衷心感谢审阅我学术论文的专家,他们的评价指引我继续向前。衷心感谢上海超级计算中心的王涛博士和张挺博士,他们的支持和帮助使得我们的大规模并行计算成为可能。衷心感谢实验室的马向阳老师、李东升老师、余学功老师和汪雷老师,他们对我的工作的关注和鼓励是我不断向前的动力。衷心感谢陈培良、梁心勃和陈加和师兄在我研究过程中所给予的帮助:感谢李庆、马叶诗、王蓉、张莉、邓哲、高煜等同学在生活中带给我的欢乐和帮助。感谢所有关心和鼓励过我的老师和同学。提。浙江大学博士论文
摘要硅纳米晶体具有独特的电子和光学性质,吸引了国际研究者的关注,并被认为是应用于硅基光电子领域最有潜力的材料之一。然而,近年来大量的实验表明,硅纳米晶体的光学性质受到表面状况及掺杂的影响。由于硅纳米晶体的尺寸较小,在实验上往往很难对其进行精确的结构表征,进而确定它的发光机制。因此,采用基于量子力学的计算方法精确地研究硅纳米晶体的结构、电子和光学性质,就成为理解硅纳米晶体光学现象的最为迫切的需求。本论文基于密度泛函理论,研究了硅纳米晶体的表面化学趸⒌;和掺杂住硼、锰云浣峁埂⒌缱雍凸庋灾实挠跋欤⑷〉昧巳缦乱幌盗械拇葱陆峁研究了氢钝化的硅纳米晶体在氧化后,纳米晶/氧化物界面处的氧原子的成键状况和机理。研究指出:除了量子限域效应外,界面处映杉睦嘈秃原子的氧化态显著地影响氧化的硅纳米晶体的光学性质。氧化后,硅纳米晶体和的激发能增加,而硅纳米晶体和募し⒛芙档汀Q化所导致的硅纳米晶体发光的红移,并不一定是由纳米晶体/氧化物界面处的缺陷稹5蹦擅拙澹趸锝缑娲Φ腟又饕N5图鄣难趸保面处的背键旧砭湍艿贾鹿枘擅拙宸⒐獾暮煲疲坏蹦擅拙澹趸锝缑处的原子主要为高价的氧化态时,界面处的导致了发光的红移。对于具有完好界面的氧化的硅纳米晶体唇缑娲Φ腛均为背键,。在纳米晶体/氧化物界面处,导致了强烈的电子局域化,和导致了界面极性的降低,这两个效应都可以稳定氧化的硅纳米晶体在激发态的几何结构。另外,由于界面处的桥哂薪先醯牡缱泳钟蛐裕⒕哂薪洗蟮慕峁褂αΓ得桥罱诘腟甋诠饧し⒑蠛苋菀锥狭选通过第一性原理能量计算,发现氮主要以双间隙男问皆诠枘米晶体的表面成键。在此基础上,采用含时密度泛函理论和杂化泛函方法,研究了表面的形成对硅纳米晶体的电子结构和光学性质的影响。研究说明:表面在硅纳米晶体的带边附近引入了局域缺陷电子态,导致了束缚激子的复合。这一束缚激子具有高的发光强度、纳秒量级的辐射寿命,与实验中观察到的氮化的硅纳米晶体的发光现象一致。对于以下的硅纳米浙江大学博士论文
晶体,可以稳定激发态结构,降低灰疲构枘擅拙宓墓夥⑸蓝移到蓝光甚至紫外光的范围。诘谝恍栽砑扑愕幕∩希赑在硅纳米晶体体内和表面的各种可能的位置,我们发现了粼铀贾碌墓枘擅拙宓暮焱馕盏脑蛞约癙掺杂对硅纳米晶体光发射的影响。研究表明:硅纳米晶体的光发射主要依赖于的位置,而由粼铀娜毕菽芗吨涞牡缱釉厩ǖ贾铝斯枘擅拙宓通过第一性原理密度泛函理论计算,发现硼倾向于在硅纳米晶体的表面成键,这一点与那樾卫嗨啤S隤所不同的是,当诠枘擅拙宓谋砻娉梢恢或两重配位时,贾铝吮砻嬷毓埂Q芯恐赋觯築掺杂并没有显著地改变硅纳米晶体的带隙。但在多数情形下,诠枘擅拙宓慕幸肓松钅芗叮解释了实验中所观察到的粼拥贾碌墓枘擅拙宸⒐獯忝鸬南窒蟆A硗猓由于诠枘擅拙灞砻娼鲂纬闪巳嘏湮坏慕峁梗珺掺杂的硅纳米晶体不能产生红外吸收。娜毕菽芗兜贾碌牡缱釉厩ú辉诤焱夤獾姆段А在密度泛函理论的框架内,采用踊汉芯苛嗣淘诠枘擅拙逯的稳定性。计算表明: