应变对半导体掺杂与氧化物界面物性的调控

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应变是研究材料物性和结构的重要手段,同时也是调制和改良材料物性的重要方法,本文基于第一性原理计算方法,研究了稀磁半导体(Ga,Mn)As体系中的各种Mn掺杂的形成能和扩散势垒与应变之间的关系,我们得出Mn掺杂的形成能和扩散势垒是否存在线性变化,及应变对氧化物(LaAlO3/SrTiO3)界面处氧空位的形成能和电子结构的影响。本文的主要工作有以下三部分。一、应变对半导体的影响往往是通过连续弹性模型来进行描述的,但是其有效性目前仍存在着争论。基于量子力学分析,我们发现如果应变改变了电子占据能级,连续弹性模型会失效。采用第一性原理计算方法,通过对Mn掺杂GaAs体系的研究证明了这一点。我们同时也预言了,对于Mn掺杂的稀磁半导体材料,对其施加压应变时,Mn在取代位的比列会提高,从而可以更好的提高居里温度TC。二、采用第一性原理计算方法,研究了应变对(Ga,Mn)As体系中间隙Mn扩散势垒的影响。我们发现外应变对扩散势垒的变化有明显的影响:在拉伸应变下扩散势垒是近似线性变化的,而在外压缩应变下的扩散势垒是非线性变化的,不再符合连续弹性模型的线性关系。分析表明是由外应变引起的能级交叉引起的。除此我们还发现了外加应变不仅可以有效的控制扩散势垒的大小,还可以用来调控迁移路径中鞍点的位置。我们的结果为有效地减少(Ga,Mn)As体系中掺杂间隙Mn原子的百分比,提供了一个可行的方法。三、论文还对氧化物薄膜LaAlO3/SrTiO3界面处氧空位的形成能随应变的变化进行了研究,采用第一性原理计算方法,首先分别计算了np型,n型和p型LaAlO3/SrTiO3体系中氧空位在LaAlO3层的形成能是如何变化的,接下来分别研究了应变对n型和p型LaAlO3/SrTiO3界面处氧空位的影响,发现拉伸作用在p型LaAlO3/SrTiO3会有效的降低氧空位的浓度。
中文摘要第6-8页
ABSTRACT第8-9页
第一章 绪论第12-22页
    1.1 计算机模拟与材料设计第12-14页
    1.2 应变与计算机模拟第14-15页
    1.3 应变对材料的影响第15-21页
        1.3.1 应变对传统半导体的影响第15-17页
        1.3.2 应变对稀磁半导体的影响第17-18页
        1.3.3 应变对金属氧化物薄膜的影响第18-19页
        1.3.4 应变对扩散的影响第19-21页
    1.4 本论文研究的内容第21-22页
第二章 第一性原理计算的理论基础第22-38页
    2.1 多体的薛定谔方程第22-23页
    2.2 Hartree-Fock方法-单电子近似第23-25页
    2.3 Kohn-Sham方程第25-26页
    2.4 LDA近似和GGA近似第26-28页
    2.5 平面波赝势法第28-32页
    2.6 结构优化方法第32-35页
        2.6.1 Hellmann-Feynman力第32-33页
        2.6.2 共轭梯度方法第33-34页
        2.6.3 自洽计算第34-35页
    2.7 本章小结第35-38页
第三章 半导体中的应变诱导的量子效应第38-56页
    3.1 引言第38-39页
    3.2 理论分析第39-41页
    3.3 计算方法和结构模型第41-44页
    3.4 结果与讨论第44-53页
        3.4.1 应变对形成能的影响第44-48页
        3.4.2 电子结构第48-52页
        3.4.3 应变对磁性的影响第52-53页
    3.5 本章小结第53-56页
第四章 应变对扩散势垒的调制第56-72页
    4.1 引言第56-59页
    4.2 计算方法和模型第59-60页
    4.3 结果和讨论第60-69页
        4.3.1 应变对结合能的影响第60-61页
        4.3.2 应变对扩散势垒的影响第61-69页
    4.4 小结第69-72页
第五章 应变对氧化物LaAlO_3/SrTiO_3界面的影响第72-88页
    5.1 引言第72-77页
    5.2 计算方法和模型第77-78页
        5.2.1 计算细节第77页
        5.2.2 结构模型第77-78页
    5.3 结果与讨论第78-87页
        5.3.1 优化后的原子结构第78-80页
        5.3.2 氧空位的形成能第80-82页
        5.3.3 应变对氧空位形成能的影响第82-83页
        5.3.4 应变对电子结构的影响第83-87页
    5.4 本章小结第87-88页
第六章 总结与展望第88-90页
附录第90-91页
参考文献第91-106页
插图第106-110页
表格第110-111页
致谢第111页
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