Si-SiO-,2-納米鑲嵌薄膜光電性質(zhì)的模擬計(jì)算分析.pdf

1、本文使用第一性原理，采用基于密度泛函理論的CASTEP程序包，系統(tǒng)地研究了Si、SiO2及Si/SiO2納米鑲嵌薄膜的幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。主要研究?jī)?nèi)容如下： ⑴分析了單晶Si及包埋基質(zhì)SiO2計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)、能帶、態(tài)密度和吸收譜。結(jié)果顯示，單晶Si的P軌道在費(fèi)米能級(jí)處的態(tài)密度遠(yuǎn)大于S軌道在費(fèi)米處的態(tài)密度，室溫下單晶Si對(duì)可見(jiàn)區(qū)光吸收微弱；SiO2的帶隙約為6．07eV，對(duì)0eV～7eV范圍內(nèi)的光幾乎沒(méi)有吸收。單晶Si及

2、包埋基質(zhì)SiO2的計(jì)算結(jié)果，尤其是優(yōu)化后的Si與SiO2的晶格參數(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，這說(shuō)明本論文所選計(jì)算方法對(duì)研究Si、SiO2及Si/SiO2納米薄膜光電性質(zhì)的可靠性。 ⑵建立了Si/SiO2薄膜模型，鑲嵌的納米Si粒中含有不飽和鍵。研究模型計(jì)算所得的幾何結(jié)構(gòu)、能帶、態(tài)密度和吸收譜。分析表明，位于約1．7eV的吸收峰是-0．59eV能級(jí)上的電子向由價(jià)鍵畸變產(chǎn)生的1．2eV能級(jí)躍遷的結(jié)果。納米Si粒中含不飽和鍵的Si原子的P軌

3、道對(duì)可見(jiàn)光區(qū)光的吸收有主要的貢獻(xiàn)。同時(shí)由于這些缺陷在禁帶引入的局域能級(jí)，使價(jià)帶、導(dǎo)帶在費(fèi)米面發(fā)生交疊從而晶體表現(xiàn)出導(dǎo)電性。 ⑶在方石英中包埋不同尺寸的納米顆粒Si3及Si5，計(jì)算得到包埋Si3結(jié)構(gòu)和包埋的Si5結(jié)構(gòu)的帶隙分別為3．58Ev、3．25eV。結(jié)果顯示，隨著納米顆粒的減小，能帶的帶隙逐漸展寬。但對(duì)可見(jiàn)光區(qū)的吸收強(qiáng)度，包埋Si3結(jié)構(gòu)比包埋Si5結(jié)構(gòu)強(qiáng)，包埋Si3結(jié)構(gòu)的第一個(gè)吸收峰在約3．9eV處，包埋Si5結(jié)構(gòu)的第一個(gè)吸

4、收峰在約4．6eV處。結(jié)果說(shuō)明，改善Si/SiO2薄膜的發(fā)光性質(zhì)并不是單一的減小包埋納米Si粒的尺寸，納米Si粒中的原子數(shù)與包埋基質(zhì)SiO2的比例也是一個(gè)重要的參數(shù)。針對(duì)本論文所建的模型，分析表明，包埋納米顆粒原子數(shù)n-Si與基質(zhì)SiO2分子數(shù)之比為45．46％時(shí)，薄膜對(duì)可見(jiàn)光區(qū)的吸收效果好。 ⑷綜合對(duì)Si、SiO2及Si/SiO2薄膜的計(jì)算分析，并結(jié)合對(duì)已有Si/SiO2薄膜的實(shí)驗(yàn)分析，研究表明，鑲嵌在SiO2中的半導(dǎo)體Si的