| 题名 | 3C-SiC掺杂体系第一性原理研究 |
| 作者 | 赵婷婷 |
| 答辩日期 | 2019 |
| 导师 | 卢学峰 |
| 关键词 | 碳化硅 第一性原理计算 掺杂 电子结构 光学性质 磁学性质 |
| 学位名称 | 硕士 |
| 英文摘要 | 碳化硅材料(SiC)相比于传统的硅材料,其大的禁带宽度、高的载流子饱和漂移速率、高的热导率和良好的力学性能等优异特征被看作是第三代半导体材料的典型代表,可以被广泛应用在高温、高压、大功率等电子器件制造领域。近些年,半导体器件发展速度迅猛,碳化硅材料已逐渐无法满足实际应用的需求,一般借助掺杂手段对材料进行改性来拓宽材料的应用领域。基于此,本文借助第一性原理计算方法通过改变掺杂剂的种类和浓度对SiC模型的电子结构、光学性质和磁学性质进行计算、分析。论文具体工作内容如下:1.对本征3C-SiC以及第Ⅳ主族元素(Ge、Sn、Pb)掺杂3C-SiC体系的电子结构以及光学性质进行计算,结果表明:Ge掺杂体系的形成能(1.249 eV)低于Sn和Pb掺杂3C-SiC体系,3.360 eV和5.476 eV,这就说明Ge掺杂体系相对更为稳定;第Ⅳ主族元素掺杂后可以增加带隙,并且材料从间接带隙半导体转变为直接带隙半导体;对电荷差密度图分析证明掺杂原子与周围C原子形成键的共价性强弱顺序为Ge-C>Sn-C>Pb-C,该结论从键的布居值得到充分验证;掺杂后体系较低的静态介电常数使得3C-SiC材料在实际应用中的服役寿命得到显著提升;掺杂使其在可见光区域具有相对较低的反射谱和吸收谱峰值,意味着材料在光电器件中有广泛的应用前景。2.通过改变N、P、As元素掺杂浓度(掺杂浓度分别为0.03125、0.0625、0.125)对3C-SiC体系进行掺杂发现,N掺杂时晶格常数与掺杂浓度呈反比例关系,相反P、As两种元素掺杂时晶格常数与掺杂浓度呈正比例关系;对比不同体系的能带结构可知N、P、As掺杂体系展现出直接带隙半导体特征,且不受浓度变化的影响,十分有利于3C-SiC材料应用于发光器件领域;三种元素掺杂后费米能级均进入导带,表现为N型掺杂的典型特征,且不受掺杂浓度变化影响;N、P、As掺杂体系随着掺杂浓度的逐渐增大,体系的静态介电常数呈现逐渐增大趋势;N掺杂浓度为3.125%体系具有最小的静态介电常数和介电损耗,不仅有助于延长3C-SiC器件的使用寿命,而且能够节约资源,降低能耗;而P掺杂浓度为12.5%体系表现出最大的静态介电常数和介电损耗却能使碳化硅材料作为吸波材料而被广泛应用于军事及航天航空领域。N、P、As元素掺杂浓度为3.125%时,体系在低能区具有相对较低的吸收系数和反射率,证明N、P、As元素低掺杂浓度有利于3C-SiC材料在太阳能电池的减反射膜领域的应用。3.模拟考察对3C-SiC体系进行TM元素(Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu)单掺杂以及TM-Al共掺杂体系的磁学性质,TM-Al共掺杂3C-SiC体系相比于TM单掺杂3C-SiC体系具有更大的形成能与结合能,这主要是由于多引入一个Al原子的缘故;根据总的态密度和分波态密度图可知,Ti和Fe掺杂3C-SiC体系表现出完全相互对称特征,费米能级附近没有发生自旋劈裂,体系不具有磁性;其它六种TM元素态密度在费米能级附近呈现出不对称特征,表明体系均产生了自旋磁化现象,即掺杂后体系展现出磁性特征;此外,Cr、Mn、Co、Ni和Cu掺杂体系出现上自旋态密度穿过费米能级呈现金属性特征,下自旋态密度在费米能级附近为0(展示出半导体特征),故掺杂体系整体表现出半金属性;同理,Ti-Al、V-Al以及Co-Al共掺杂3C-SiC体系无磁性,而Cr-Al、Mn-Al、Fe-Al、Ni-Al以及Cu-Al共掺杂3C-SiC体系展现出磁性特征;Al原子引入不同TM元素单掺杂体系中对其磁学性质产生不同影响,如Ni-Al共掺杂体系磁性低于Ni掺杂体系,Al元素的引入能够使得V和Co两种共掺杂体系的反铁磁性稳定,使Fe掺杂体系的无磁性到Fe-Al共掺杂体系有磁性的转变,对Cu掺杂体系磁性并不产生影响,故科研工作者在磁学性能的实验研究中需谨慎选择Al原子进行共掺杂。 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 80 |
| URL标识 | 查看原文 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.lut.edu.cn/handle/2XXMBERH/94914]  |
| 专题 | 兰州理工大学 |
| 作者单位 | 兰州理工大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 赵婷婷. 3C-SiC掺杂体系第一性原理研究[D]. 2019. |
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