（凝聚态物理专业论文）尺寸、应变和电场对一维纳米结构能带的影响.pdf

i i i l l l l l l l l l w i l l ! 舢i ir i l l y 17 7 9 2 8 。4 尺寸、应变和电场对一维纳米结构能带的影响 s i z e ，s t r a i na n de l e c t r o nf i e l dm o d u l a t e db a n d g a po f in dn a n o s t r u c t u r e s 博士后姓名 流动站( 一级学科) 名称 李爽 物理学 专业( 二级学科) 名称材料物理 研究工作起始时间2 0 0 8 年8 月 研究工作期满时间2 0 1 0 年7 月 中山大学 2 0 1 0 年6 月 。_ _ _ _ 。一 。近些年来一直 一维纳米结构， 不管纳米线还是纳米管常常在压力环境下工作。因此，了解应变对氧化锌纳米线和纳 米管能带的影响，很大程度上决定了纳米器件的使用性能。为了设计和优化基于氧化 锌纳米线的纳米器件的微电子和光电子性能，了解应变对氧化锌能带调制的作用是很 有必要的。众所周知应用应变调节能带宽度是一种有效和经济的手段。在本文的研究 中我们用d f t 的方法模拟了不同截面形状，不同此尺寸的氧化锌一维纳米线和纳米 管，在应变改变的情况下其能带的结构，发现应变不但可以改变能带宽度，还能引发 直接带隙到间接带隙的相变。 通常，外加电场可以改变半导体纳米材料的电子结构。例如：电场对s i 纳米线 和a i n 纳米薄片的能带结构，胶状c d s e 量子棒的电子和空位的基态都有明显的作用。 应用电场调制纳米线的能带形状和宽度的研究尚为开展，了解外加电场对z n o 纳米 线能带的调制，对于氧化锌纳米器件的广泛应用也有着和应力场同样重要的作用。添 加电场是一种简单方便方法。我们用了d f t 方法模拟了不同截面形状，不同此尺寸 的氧化锌一维纳米线在电场改变的条件下其能带的变化规律。我们发现只有具有三角 形截面的氧化锌纳米线对电场敏感。电场增加引起t 结构的z n o 纳米线能带宽度减 小，并伴随着直接带隙到间接带隙的相变。 半导体纳米线的能带是了解其电子结构和设计纳米器件的一个重要的物理参量。 通常，由于量子效应，能带都是随着尺寸的减小而增加。目前关于纳米半导体材料尺 1 2 a b s t r a c t r e c e n t l y , z n on a n o s t r u c t u r e s h a v ea t t r a c t e dc o n s i d e r a b l ei n t e r e s td u et o g r e a t p o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nm i c r o a n dn a n o o p t o e l e c t r o n i c s h o w e v e r ，b o t hz n o n a n o w i r e s ( n w s ) a n dn a n o t u b e s ( n t s ) a sb a s i cu n i t so fm i c r o e l e c t r o n i c a n d o p t o e l e c t r o n i c n a n o d e v i c e ss o m e t i m e sw o r ki nt h ec i r c u m s t a n c eo ft h es t r a i nf i e l d t h e r e f o r e ，t h e i n f l u e n c eo ft h es t r a i nf i e l do nt h ee l e c t r o n i cs t r u c t u r eo fz n on w sa n dn t sp a r t l y d e t e r m i n e st h ep e r f o r m a n c eo fn a n o d e v i c e s t od e s i g na n do p t i m i z et h em i c r o e l e c t r o n i c a n do p t o e l e c t r o n i cn a n o d e v i c e sb a s e do nz n on a n o w i r e s ，i ti se s s e n t i a lt og a i nab a s i c p h y s i c a lu n d e r s t a n d i n go ft h ee f f e c t so ft h es t r a i nf i e l do nt h eb a n ds t r u c t u r eo fz n o n a n o s t r u c t u r e s w es y s t e m i c a l l yi n v e s t i g a t e dt h ei n f l u e n c eo ft h ea p p l i e ds t r a i no nt h e b a n d g a p o fz n on w sa n dn t su s i n gt h ed e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y i ng e n e r a l ，a ne x t e r n a le l e c t r i cf i l e dc a na f f e c te l e c t r o n i cs t r u c t u r e so fs e m i c o n d u c t o r n a n o m a t e r i a l s f o re x a m p l e ，t h ee l e c t r i c a lf i e l dh a sag r e a ti n f l u e n c eo nt h eb a n d g a po fs i n a n o w i r e sa n da i nn a n o s h e e t sa n dt h ee l e c t r o na n dt h eh o l eg r o u n ds t a t eo ft h ec o l l o i d a l c d s eq u a n t u mr o d s a d d i t i o n a l l y , t h ee l e c t r i c a lf i e l dc a ne f f e c t i v e l yt u n et h ed y n a m i cg a p b e t w e e ne l e c t r o na n dh o l eb a n d si nt h es p e c t r u mo ft h eg r a p h e n eq u a s i p a r t i c l e s h o w e v e r , t h e r eh a v en o tb e e na n yr e p o r t si n v o l v e di nt h ee f f e c t so fe l e c t r i c a lf i e l do nt h eb a n d s t r u c t u r eo fz n on a n o w i r e s w es y s t e m i c a l l yi n v e s t i g a t e dt h ei n f l u e n c eo ft h ea p p l i e d e l e c t r i c a lf i e l do nt h eb a n d g a po fz n on a n o w i r e su s i n gt h ed e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y i t w a sf o u n dt h a tt h ea p p l i e de l e c t r i c a lf i e l dc a nn o to n l ye f f e c t i v e l ym o d u l a t et h eb a n d g a po f z n on a n o w i r e s ，b u ta l s ol e a d st ot h eb a n d g a pt r a n s i t i o nf r o md i r e c tt oi n d i r e c t m e a n w h i l e ， t h ea b o v ee f f e c t so fe l e c t r i c a lf i e l dd e p e n do nt h es i z ea n ds h a p eo fz n on a n o w i r e s t h e p h y s i c a lu n d e r s t a n d i n go ft h ee l e c t r i c a lf i e l de f f e c t so ft h ee n e r g yb a n ds t r u c t u r eo fz n o n a n o w i r e si sa t t r i b u t e dt ot h eb o n dl e n g t hc h a n g e so fl a t t i c ea n dt h ec h a r g et r a n s f e r b e t w e e nz na n doa t o m s t h u s ，t h e s ev a l u a b l ei n v e s t i g a t i o n sa r ei m p o r t a n tf o rd e s i g n i n g t h em i c r o e l e c t r o n i ca n do p t o e l e c t r o n i cn a n o d e v i c e sb a s e do nz n on a n o w i r e s e f f e c t i v eb a n d g a pe n e r g yo fs e m i c o n d u c t o rn w si sa ni m p o r t a n tp h y s i c a lq u a n t i t yf o r 3 k e y w o r d s ：n a n o s t r u c t u r e ss i z e d e p e n d e n tb a n dg a p 4 c o n t e n t s 摘要。1 a b s t r a c t 3 c o n t e n t s 5 i e x o r d i u m 6 i i u n i a x i a ls t r a i nm o d u l a t e db a n d g a po f z n on a n o s t r u c t u r e s 9 2 1i n t r o d u c t i o n 9 2 2c a l c u l a t i o nm e t h o d o l o g y 9 2 3r e s u i t sa n dd i s c u s s i o n 1 1 2 4c o n c l u s i o n s 1 4 7 i i i e l e c t r i c a lf i e l di n d u c e dd i r e c t - t o - i n d i r e c tb a n d g a pt r a n s i t i o ni nz n on a n o w i r e s 1 6 3 2c a l c u l a t i o nm e t h o d o l o g y 1 7 3 3r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 1 7 3 4 c o n c l u s i o n s 2 2 l i v u n i v e r s a ls c a l i n go fs e m i c o n d u c t o rn a n o w i r e sb a n d g a p 2 7 4 1i n t r o d u c t i o n 2 7 4 2m o d e l 2 8 4 3r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n 3 0 4 4c o n c l u s i o n 3 2 c i 瓜r i c u l u mv 1 1 a e 3 5 t h ep u b l i s h e dp a p e r s 3 7 t h ep r e s i d i n gs c i e n t i f i cr e s e a r c hp r o j e c t sd u r i n gt h ep o s t d o c t o r a lp e r i o d 3 8 a c k n o w l e d g e m e n t 。3 9 5 i e x o r d i u m z n oh a sb e e nr e c e i v i n gc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o nd u et oi t sg o o do p t i c a l ，e l e c t r i c a l ，a n d p i e z o e l e c t r i cp r o p e r t i e s o n ed i m e n s i o n a l ( id ) z n o n w sh a v eu n i q u ep h y s i c a l a n d c h e m i c a lp r o p e r t i e sa r i s i n gf r o ms u r f a c ea n dq u a n t u mc o n f i n e m e n ti nt h el a t e r a ld i r e c t i o n n a n o d e v i c ef u n c t i o n a l l yh a sb e e nd e m o n s t r a t e dw i t hz n on w si nf o r mo fe l e c t r i cf i e l d e f f e c t s w i t c h i n g ，s i n g l e e l e c t r o n t r a n s i s t o r , b i o l o g i c a l a n dc h e m i c a ls e n s i n g ，a n d l u m i n e s c e n c e t oo p t i m i z et h eu s eo fz n od e v i c e s ，i ti se s s e n t i a lt oo b t a i nab a s i cp h y s i c a l u n d e r s t a n d i n go fi t sp r o p e r t i e s 【l 】，t h e o r e t i c a l w o r ki sd e s i r a b l et og u i d ee x p e r i m e n t s r e c e n t l y ，r e s e a r c h e r sw e r ea b l et og r o w t hs i n g l ec r y s t a l so fz n on w s w i t hd i a m e t e r s d o w nt oaf e wa n g s t r o m sa n dl e n g t h so ft e n so fm i c r o m e t e r sf 2 】i ti sp o s s i b l et ot u n e v a r i o u sp h y s i c a l p r o p e r t i e s o ft h ez n o n w s ，t h e o r e t i c a l i n v e s t i g a t i o n s h a v e b e e n p e r f o r m e do ns m a l lz n o n w sm a i n l yf o c u s i n go nt h e i rs t r u c t u r a l ，e l e c t r o n i c a n de l a s t i c p r o p e r t i e sc a u s e db ys i z ed e c r e a s i n g1 3 - 4 h o w e v e r , ad e e p e ra n a l y s i so f l a t t i c es t r a i n6a n d e l e c t r i cf i e l dfe f f e c t so nt h eb a n dg a pe g ( 回a n d & ( do fz n o n w sa r es t i l ll a c k i n g i ti sw e l lk n o w nt h a ts t r a i ni sav e r yi m p o r t a n tf a c t o rf r o mt h eg r o w t ha n da p p l i c a t i o n a s p e c to f n a n o d e v i c e s s t r a i ni sa l s oau s e f u la n de c o n o m i c a lm e t h o df o rm o d u l a t i n gb a n d s t r u c t u r e s i nd e s i g n i n ge l e c t r o n i cd e v i c e s ，i th a sb e e nw i d e l ys t u d i e dt oe n h a n c et h ed e v i c e p e r f o r m a n c eb ym o d i f y i n gt h eb a n ds t r u c t u r eo fs i l i c o n a p p l y i n gs t r a i nh a st h ea d v a n t a g e o fb e i n gc o m p a t i b l ew i t hc o n v e n t i o n a lc m o sp r o c e s s e sf o rd e v i c ef a b r i c a t i o n r e c e n t l y t h e r ew e r eaf e wo fa t t e m p t st ot a i l o rt h eo p t i c a lp r o p e r t i e so fs i n w sa n dg e n w st h r o u g h s t r a i n ，b u tt h ec o n t r i b u t i o n so ft h es t r a i no nt h eb a n ds t r u c t u r eo fz n o n w s h a sn o tb e e n c l e a r l ya n a l y z e dy e t a ne x t e r n a le l e c t r i cf i l e dfc a na f f e c te l e c t r o n i cp r o p e r t i e so fs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l s 5 - 8 t h u s ，b a n dg a pe n e r g ye go fz n o n w sc o u l db eaf u n c t i o no ff s i n c ef i se a s yt o c o n t r o li na c t u a la p p l i c a t i o n s ，fs h o u l db eap o w e r f u lt o o lt om o d u l a t ep r o p e r t i e so f z n o n w s m o t i v a t e db yt h ea f o r e m e n t i o n e ds t u d i e s ，w eh a v ec o m p u t a t i o n a l l yi n v e s t i g a t e dt h e 6 e l e c t r o n i c p r o p e r t i e so fz n on w s w er e p o r t t h eb a n dg a po fz n o n w sa n dt h e d e p e n d e n c eo ft h o s eo nt h eu n i a x i a is t r a i n 占a n de l e c t r i c f i e l df b a s e do nf i r s t - p r i n c i p l e s c a l c u l a t i o n s ，a n di ti sp r e s e n t e dt h a t 占a n dfc a nb ean e ws t r a t e g yt oc h a n g ez n o n w s b a n dg a pe n e r g y a sc o m p u t i n ga b i l i t yo fc o m p u t e r sp r o g r e s s e sa n ds u i t a b l ep o t e n t i a l sa r eg r a d u a l l y f o u n d ，d i r e c ts i m u l a t i o nf o ra n ys i z eo fm a t e r i a l sw i l lc e r t a i n l yb e c o m em o r ei m p o r t a n t ， w h i c hr e v e a l sm o r em a t e r i a l sn a t u r er e l a t e dw i t ht h em a t e r i a l se l e c t r o n i cp r o p e r t i e sa n d g e t sm o r ed i r e c t l ya b u n d a n tm e s s a g e s h o w e v e r ，u pt on o w ，s y s t e m a t i c a ls t u d yo f c o m p u t e rs i m u l a t i o no ns i z ee f f e c to f m a t e r i a l sp r o p e r t i e si sl a c k w ew i s ha n db e l i e v et h a t t h i sw i l lb ei m p r o v e di nn e a rf u t u r e1 1 0 i n f a c t ，t h et h e r m o d y n a m i ct e c h n i q u ei sau n i q u em e t h o dt op r e d i c tm a t e r i a l s m e s o s c o p i cp r o p e r t i e s ，e s p e c i a l l yi nt h ef i e l do fp h a s et r a n s i t i o n ，b ym e a n so ft h e ”t o p - d o w n ”w a y ，w h i c hd i f f e r sf r o mt h e ”b o t t o m - u p ”w a yb yc o m p u t e rs i m u l a t i o n i t s h o u l db ee m p h a s i z e dt h a tp e o p l ea r em o r ef a m i l i a rw i t ht h e ”t o p d o w n w a ys i n c ew eu s e u s u a l l yt h eb u l km a t e r i a l sp r o p e r t i e sd u r i n gt h em a t e r i a l sd e s i g n n o w ，t h ef a b r i c a t i o nt e c h n i q u e so fn a n o m a t e r i a l s ，n a n o p a t t e r n s ，a n dq u a n t u md o t sa r e a c h i e v i n ge v i d e n ta d v a n c e s ，w h i c ha r ei m p o r t a n tf o rf u t u r en a n o t e c h n o l o g y h o w e v e r ，d u e t o a p p e a r a n c eo fc o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n i q u e ，t h ec l a s s i ct h e r m o d y n a m i c sh a sn o t o b t a i n e de n o u g hr e c o g n i t i o ni ns c i e n t i f i cw o r l d a sr e s u l t s ，i nt h en a n o s c a l e ，t h e t h e r m o d y n a m i ct h e o r yh a sn o tf u l l ye x e r t e di t se f f e c t i na d d i t i o n ，i nt h em e s o s c o p i cs i z e r a n g e ，n a m e l yi nt h ec o n t i n u o u ss i z er a n g ef r o mm i c r o s c o p i ct om a c r o s c o p i c ，o rf r o m1n m t o1l a m ，t h ec o r r e s p o n d i n gs i z ee f f e c to nm a t e r i a l sp r o p e r t i e sc a n n o tb ed e t e r m i n e db y c o m p u t e rs i m u l a t i o nt e c h n i q u ed u et ot h el i m i to f t h ec o m p u t e rc o m p u t i n ga b i l i t yw h i l et h e n a n o t e c h n o l o g yi sm a i n l yl o c a t e di nt h i ss i z er a n g e t h ea b o v ep h e n o m e n ab r i n go u tt h er e q u i r e m e n to ft h ec o r r e s p o n d i n gt h e r m o d y n a m i c d e s c r i p t i o nt ou n d e r s t a n d i n gt h e i rt h e o r e t i c a lb a c k g r o u n dd u et os c i e n t i f i ca n dt e c h n i q u e r e a s o n s t h i sr e p o r t ss u m m a r i z e so u rd e v e l o p e dq u a n t i t a t i v et h e r m o d y n a m i cm o d e lt o i l l u s t r a t es i z ed e p e n d e n tb a n d g a po fs e m i c o n d u c t o r t h es u c c e s so ft h ea b o v em o d e l i m p l i e st h a tt h ec l a s s i ct h e r m o d y n a m i c sc a ni n d e e db eu t i l i z e di nn a n o s c a l ea l t h o u g ht h e 7 t h e r m o d y n a m i c sh a sas t a t i s t i cn a t u r e d u r i n gt h ea b o v em o d e l i n g ，i ti sa l s of o u n dt h a t t h e r ee x i s t sal o ws i z el i m i ta ta b o u t1 - 2a m ，b e l o ww h i c ht h e r ei sn o ta n yc r y s t a l l i n e s t r u c t u r ew h e r eac l u s t e rs t r u c t u r ei sp r e s e n t t h i si sc o r r e c tb e c a u s eac r y s t a l l i n es t r u c t u r e s h o u l dh a v eal o n gr a n g eo r d e r a to n c et h es o l i dh a sac l u s t e rs t r u c t u r e ；i t s s t r u c t u r e c h a n g ec a no n l yb eu n d e r s t o o db yc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，w h i c hi sb a s e do nt h ee l e c t r o n i c c h a n g e ，n o t t h es t a t i s t i cm e c h a n i c s i na d d i t i o n ，a l t h o u g ho u rm o d e lf o rs u r f a c es t r e s si su s e d ，t h em o d e li sm a t h e m a t i c a l l y s t r i c t ab e t t e rd e t e r m i n a t i o no fs u r f a c es t r e s sw i l lb e n e f i tf o rt h et h e r m o d y n a m i cm o d e l i n g d u r i n g t h ea b o v em o d e l i n g ，s u r f a c ee n e r g yo fs p e c i a lf a c e t si so f t e nd i f f i c u l tt of i n d t h u s ， t oi m p r o v eo u rm o d e lp r e d i c t i o n ，f u r t h e rc o m p u t e rs i m u l a t i o nw o r ka n dr e l a t e ds u i t a b l e p o t e n t i a li sn e e d e dt od e t e r m i n et h e s es u r f a c ee n e r g yv a l u e s 。 r e f e r e n c e s ： 1 yz h a n g ，yh w e n ，j c z h e n g ，z z z h u ，a p p l p h y s l e t t 9 4 ，1 1 3 1 1 4 ( 2 0 0 9 ) 2 z l w a n g 。j p h y s ：c o n d e n s m a t t e r16 ，r 8 2 9 一r 8 58 ( 2 0 0 4 ) 3 cl i ，w l g u o ，yk o n g ，h j g a o ，p h y s r e v b7 6 ，0 3 5 3 2 2 ( 2 0 0 7 ) 4 j s q i ，d n s h i ，j m j i a ，n a n o t e c h n o l o g y19 ，4 3 5 7 0 7 ( 2 0 0 8 ) 5 k s n o v o s e l o w , a k g e i m ，s v m o r o z o v , d j i a n g ，y z h a n g ，s vd u b o n o s ，i v g r i g o r i e v a ，a a fi r s o v , s c i e n c e ，3 0 6 ( 2 0 0 4 ) 6 6 6 6 r q z h a n g ，w t z h a n g ，q j i a n g ，j p h y s c h e m c1 1 3 ( 2 0 0 9 ) 1 0 3 8 4 7 a j d u ，z h z h u ，yc h e n ，gq l u ，s c s m i t h ，c h e m p h y s l e t t 4 6 9 ，1 8 3 ( 2 0 0 9 ) 8 w ：l i u ，yh z h a o ，j n g u y e ，yl i ，q j i a n g ，e j l a v e r n i a ，c a r b o n4 7 ，3 4 5 2 ( 2 0 0 7 ) 9 q j i a n g ，s l i ，jc o m p u t t h e o rn a n o s c i ，5 ，2 3 4 6 ( 2 0 0 8 ) 10 s l i ，gw y a n g ，a p p l p h y s l e t t 9 5 ，0 7 310 6 ( 2 0 0 9 ) 8 i i u n i a x i a ls t r a i nm o d u l a t e db a n d g a po fz n o 2 1i n t r o d u c t i o n n a n o s t r u c t u r e s r e c e n t l y , z n o n a n o s t r u c t u r e sh a v ea t t r a c t e dc o n s i d e r a b l ei n t e r e s td u et o g r e a t p o t e n t i a la p p l i c a t i o n s i nm i c r o a n d n a n o o p t o e l e c t r o n i c s 【1 1 h o w e v e r ，b o t hz n o n a n o w i r e s ( n w s ) a n dn a n o t u b e s ( n t s ) a sb a s i cu n i t so fm i c r o e l e c t r o n i ca n do p t o e l e c t r o n i c n a n o d e v i c e ss o m e t i m e sw o r ki nt h ec i r c u m s t a n c eo ft h es t r a i nf i e l d 2 - 4 t h e r e f o r e t h e i n f l u e n c eo ft h es t r a i nf i e l do nt h ee l e c t r o n i cs t r u c t u r eo fz n on w sa n dn t sp a r t l y d e t e r m i n e st h ep e r f o r m a n c eo fn a n o d e v i c e s t od e s i g na n do p t i m i z et h em i c r o e l e c t r o n i c a n do p t o e l e c t r o n i en a n o d e v i c e sb a s e do nz n on a n o w i r e s ，i ti se s s e n t i a lt og a i nab a s i c p h y s i c a lu n d e r s t a n d i n go ft h ee f f e c t so ft h es t r a i n f i e l do nt h eb a n ds t r u c t u r eo fz n o n a n o s t r u c t u r e s i ti sk n o w ns t r a i ni sau s e f u la n de c o n o m i c a lm e t h o df o rm o d u l a t i n gb a n d s t r u c t u r e s 5 - h i i nt h i sc o n t r i b u t i o n ，w es y s t e m i c a l l yi n v e s t i g a t e dt h ei n f l u e n c eo ft h e a p p l i e ds t r a i no nt h eb a n d g a po fz n on w sa n dn t su s i n gt h ed e n s i t yf u n c t i o n a lt h e o r y i n t e r e s t i n g l y , w ef o u n dt h a tt h eu n i a x i a lc o m p r e s ss t r a i nc a nl e a dt oab a n d g a pt r a n s i t i o n f r o md i r e c tt oi n d i r e c tb a n df o rb o t hz n on w sa n dn t s 2 2c a l c u l a t i o nm e t h o d o l o g y o u rs t u d yi sb a s e do nt h ed m o l 3m o d e l1 1 2 - 1 5 1 t h eg e n e r a l i z e dg r a d i e n ta p p r o x i m a t i o n ( g g a ) f u n c t i o n a lw i t ht h ep w 9 1m e t h o