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云计算-硅表面纳米结构设计与计算.pdf
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云计算-硅表面纳米结构设计与计算.pdf
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I
摘 要
本文采用第一性原理密度泛函方法计算研究了 Si (111)表面上几种不同形状的 Si、
Ge 纳米结构、并研究了它们的电子结构及光学特性。
对 Si (111)表面上的 Si 纳米结构的计算结果表明,Si 表面上不同形状的纳米结构
的能量稳定顺序为:凹坑 > 凸台纳米带 > 岛状量子点 > 悬浮量子点;光学性质
的计算分析显示,表面经纳米结构修饰后, Si 表面的光吸收均得到了增强,但未明显改
变最强吸收峰的位置,最大吸收峰的位置都出现在紫外 314 nm 附近。在紫外区域,类
金刚石类纳米结构在所设计的表面纳米结构中对 Si (111)表面的光吸收增强的百分比最
大,为 30%;在可见光区域,Si
14
@Si
64
纳米结构对光吸收的增强最大,百分比达到 67%。
此外,我们在 Si (111)表面上放置了不同形状的 Ge 纳米结构,计算结果表明,所放
置的三种表面纳米结构的能量的稳定性顺序为:条形岛 > 纳米带 > 六边形岛。对其
光学性质的计算结果显示,条形岛的光吸收强度要高于六边形岛结构和纳米带结构;
表面加入了 Ge 量子点之后,Si (111)衬底的吸收峰位置未变,但 Ge 纳米结构对 Si 表
面的修饰降低了 Si 表面的光吸收强度。
关键词: Si 表面; Si 纳米结构; Ge 纳米结构; 光吸收
万方数据
Abstract
Using first-principles DFT method, several different types of Si and Ge nanostructures on the Si (111)
surface were studied, including their geometrical structures, electronic structures and optical properties.
The calculated results of the different types of Si nanostructures show that the order of their stability
of the nanostructures on the Si (111) surface is pit > nanobar > island > adsorbed quantum dot, and the
optical property calculations show that the nanostructural modification on the Si (111) surface can enhance
the optical absorption of the silicon surface but the position of the maximum absorption peak didn’t have
obvious shift. The maximum peak of optical absorption appeared in the near UV 314 nm. Moreover, in the
ultraviolet region, the Diamond-like on the Si (111) surface can enhance the optical absorption by a
maximum percentage of ~ 30%. In the visible light range, the optical absorption of the Si
14
@Si
64
nanostructure is the largest, and the enhanced percentage of optical absorption with respect to Si (111) is
about 67%.
The calculated results of different types of Ge nanostructures on the Si (111) surface show that the
stability of three types of Ge nanostructures is in the order, strip > grating> hexagonal island. The calculated
results of optical absorption show that the optical absorption intensity of the strip nanostructure is higher
than those of hexagonal island and grating nanostructure. Although the Si (111) surface were modified by
the Ge quantum nanostructures with different shapes, the position of the absorption peak of the Si(111)
substrate is not changed obviously, and in contrast to the Si nanostructures, the Ge nanostructures on the
Si(111) surface decrease the optical absorption of the Si surface.
Keywords: Si surface; Si nanostructures; Ge nanostructures; optical absorption
万方数据
万方数据
第一章 绪论
1
第一章 绪论
社会在繁荣发展的同时也伴随着地球资源的消耗,并且消耗的资源是不可再生的。
在使用这些资源为生活带来便利的同时,对我们的自然环境也带来了损害。煤炭的燃
烧使用会使空气中的 CO
2
浓度升高,造成全球变暖和温室效应等灾害,并且现在地球
上有些地区也经受着雾霾的侵害。这些对人类的身体健康和自然环境造成了极大的危
害
[1]
。人类需要寻找新型的、绿色的、环保的、可循环利用的能源来维持我们的生活及
经济发展,同时保护地球环境和绿色生态
[2]
。
太阳是一种绿色的无污染的能源。对太阳能的开发和合理的运用可以大幅度的降
低我们在使用其他能源时所造成的环境污染
[3]
。如今在对太阳能资源的研发中,太阳能
电池的研发受到了人们的广泛重视。太阳能电池可以将太阳能转化为电能、热能等能
量资源为人类生活所利用,太阳能电池也可以在工业中得到广泛的利用。太阳能电池
可为我们的生活提供清洁能源,减少了人们在使用煤、天然气、石油等其他不可再生资
源时所产生的污染。在制作太阳能电池时,硅基材料基于其特殊的性质在太阳能材料
的研发中占据了主要的地位。硅基太阳能电池面临的最大问题是如何提高能量的转换
效率
[4]
。硅基太阳能电池在第一代、第二代的太阳能电池的研发中占据了大部分的市场,
但它们存在着高成本,和太阳能的光电转换效率不理想等问题。因此如何提高硅基太
阳能电池的光电转换效率是人们急需解决的问题,也是现在硅基太阳能电池的主要研
究方向之一
[5]
。新生代的太阳能电池-量子点电池,也被称作第三代太阳能电池,是目
前硅基量子点电池研究的一个主要方向。典型的量子点太阳能电池是由两个基底材料
组成,并且在这两个基底材料中夹杂一些量子点,这些量子点可以是无序的结构也可
以是有序结构
[6]
。
第三代太阳能电池的研发与纳米科学技术的进步是分不开的。纳米技术的发展,
为第三代量子点太阳能电池的发展提供了先进的科学技术基础,使量子点太阳能电池
的实现成为一种可能。目前,利用纳米加工技术来制备量子点的方法有应变自组装量
子点生长、化学气相沉积法、生物化学法、原位生长法、刻法等
[7-10]
。对于典型的硅基
材料在经过这些纳米技术的加工后,可在硅基表面上产生不同形状的量子点。这些含
有不同形状量子点的硅基材料对太阳能吸收的能力也表现出不同。总之,研究表面具
有不同形状的量子点的硅基纳米材料对提高太阳能的吸收和第三代太阳能量子点电池
的设计都具有重要的价值。
1.1 纳米技术的发展
纳米技术的发展使纳米科学成为一门比较复杂且综合的学科,其中包括纳米物理
学、纳米加工学、纳米化学、纳米生物学等多门学科。纳米所具有的独特数量级,是人
1
万方数据
青岛大学硕士学位论文
的肉眼看不到的。纳米技术可以通过控制纳米级的单个原子或是分子来实现特定的功
能,这其中利用的是原子与分子中的电子波动性
[11]
。早在 20 世纪 60 年代,诺贝尔奖
获得者物理学家费曼就对纳米世界的未来进行了预测,他曾说过,如果我们对物体微
小规模上的排列加以实现某种控制的话,我们就能使物体得到大量异乎寻常的特性,
就会看到材料的性能产生丰富的变化。在此想法的基础上,1981 年德国萨尔兰大学的
学者提出了纳米材料的概念。而后,随着扫描隧道显微镜(STM)的发明,在 1990 年时
人们首次实现了利用它对原子、分子的操作,同年纳米材料也正式的被宣布为材料科
学的一个新的分支
[12]
。经过纳米思想的提出到后来通过对纳米实验仪器的操作,人们
逐步地意识到了纳米材料的重要性,对它的重视程度越来越高,它不同于普通的宏观
材料,人们对纳米材料的研究也开始迸发出无限的火花。人们将纳米技术的发展视为
是一种通往新世纪大门的钥匙以及未来科学研究的主流方向。在这茫茫的自然界中,
纳米技术的发展为人类的生活带来了便捷,并且纳米这一词汇也开始与我们的日常生
活息息相关
[13-14]
。如,在动物骨骼的表面上与在人类的牙齿上都具有纳米结构,在化纤
布料中加入金属纳米颗粒会减少由摩擦现象而引起的静电现象,并且通过在化纤制品
与纺织制品中添加纳米微粒等,不仅可以去除异味而且可以达到杀菌的效果。
纳米材料按照维度可分为一维、二维、三维纳米体系。团簇、纳米管与纳米棒、
纳米尺寸的孔洞等可构成纳米块体、薄膜、多层膜等材料
[15-16]
。随着纳米技术不断的发
展,构建纳米体系的纳米技术也得到了飞跃。不仅包括微电子技术、计算机技术、热分
析技术、高分辨显微技术等各个领域的先进技术
[17]
而且纳米研究的领域涉及到多个学
科,包括材料制造,环境与能源、生物制药、纳米电子与器件、医学与卫生等
[18-20]
。
纳米材料技术和纳米科学技术研究的发展在各方面都取得了科学家们的重视,可
以看出纳米材料技术在国民经济新型支柱的产业中和科学领域方面会有巨大的发展前
景
[21]
。对于纳米材料的发展主要集中在纳米组装体系的设计和研究、具有更高性能纳
米结构材料的设计、纳米颗粒表面修饰和包裹等研究方面。正如我国科学家钱学森院
士曾经预言:“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点,会是一次技
术革命,从而将是 21 世纪的又一次产业革命。”
1.2 量子点纳米结构的发展
量子点器件作为纳米光电子器件中的一个分支,近几年在以量子点作为有源区而
设计和制作的各种光电器件也逐渐的走入人们的眼中,开始了量子点纳米器件的研究
与探索。早在 1983 年,科学家 Brus 就首次提出了胶状量子点的概念
[22]
。紧接着在 1993
年时,大小均匀的量子点由 Bawendi 教授领导的科研小组首次提出
[23]
。并且在 1996 年
的时候,新型包裹量子点颗粒合成,是由科学家 Hines 首次成功的合成 ZnS 包裹 CdSe
的量子点
[24]
。新型水溶性的量子点是在 2002 年 Libchaber 与 Wu 使用疏水相互作用形
2
万方数据
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