表面修飾和電場(chǎng)對(duì)氮化鎵薄膜電學(xué)性質(zhì)的調(diào)控機(jī)理研究

肖美霞 辛海濤 姚婷珍

摘 要：采用第一性原理模擬方法研究表面修飾和電場(chǎng)對(duì)氮化鎵納米薄膜電學(xué)性質(zhì)的影響。對(duì)于表面鎵原子和氮原子分別進(jìn)行氫化、氟化或氯化得到的氮化鎵納米薄膜（A-GaN-B），當(dāng)層厚相同時(shí)，Cl-GaN-H和Cl-GaN-Cl薄膜的能隙較小，而H-GaN-H和F-GaN-F薄膜的能隙較大。當(dāng)層厚增加時(shí)，相同表面修飾的氮化鎵納米薄膜能隙將逐漸減小，最終由半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體。當(dāng)施加垂直電場(chǎng)時(shí)，薄膜能隙將依賴于電場(chǎng)方向呈現(xiàn)線性增加或者降低。該研究結(jié)果將會(huì)為氮化鎵納米材料應(yīng)用于納米電子器件提供重要的理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：氮化鎵納米薄膜 能隙 表面修飾 電場(chǎng) 第一性原理

中圖分類號(hào)：O48 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）02（b）-0023-03

大塊氮化鎵具有很多獨(dú)特的物理性質(zhì)，在光學(xué)、電學(xué)、自旋電子學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。近期二維納米薄膜結(jié)構(gòu)及電學(xué)等性質(zhì)備受關(guān)注，這是由于其存在較大的表面體積比，表面對(duì)其物理和化學(xué)性質(zhì)起著至關(guān)重要的作用。發(fā)生表面重構(gòu)的納米薄膜的能隙將會(huì)由表面態(tài)所決定的，由此表面修飾對(duì)不同厚度納米薄膜的性質(zhì)有著重要的調(diào)控作用[1]。而電場(chǎng)對(duì)二維半導(dǎo)體納米材料的性質(zhì)也有重要的調(diào)控作用[2]，如完全氫化的鍺薄膜在外電場(chǎng)作用下可由導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賉3]。在該文中，研究表面修飾和電場(chǎng)對(duì)氮化鎵納米材料電學(xué)性質(zhì)的調(diào)控作用將會(huì)為其在新型納米電子器件領(lǐng)域的發(fā)展提供重要的理論指導(dǎo)意義。

1 模擬方法

模擬計(jì)算采用基于密度泛函理論的DMol3模塊[4]，相關(guān)交換函數(shù)使用廣義梯度近似GGA中PBE方法。核處理方法使用密度泛函理論半核贗勢(shì)。基本設(shè)置使用雙數(shù)字極化。k點(diǎn)設(shè)置為17×17×1。能量收斂公差，最大力收斂和位移分別為1.0×10-5 Ha，0.002 Ha/，和0.005 。

2 模擬結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

沒(méi)有表面修飾的氮化鎵納米薄膜結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，其原子結(jié)構(gòu)為類石墨平面結(jié)構(gòu)，如圖1（a）所示；隨著層厚的增加，其間接能隙降低量較小（圖2）。該研究結(jié)果與以前報(bào)道的結(jié)果一致[1]。對(duì)于表面鎵原子和氮原子分別進(jìn)行氫化、氟化或氯化得到的氮化鎵納米薄膜（A-GaN-B），其原子結(jié)構(gòu)示意圖如圖1（b）所示，Cl-GaN-Cl和Cl-GaN-H薄膜在雙層時(shí)可轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體。而對(duì)于H-GaN-H、F-GaN-F及F-GaN-H薄膜，F(xiàn)-GaN-H納米薄膜在層厚相同時(shí)，能隙值最小。由此可見，表面修飾可有效調(diào)節(jié)不同厚度的氮化鎵納米薄膜的能隙。

對(duì)表面修飾的氮化鎵納米薄膜施加垂直電場(chǎng)[見圖1（b）]，從B到A方向的電場(chǎng)F為正電場(chǎng)，相反方向的電場(chǎng)為負(fù)電場(chǎng)。隨著正電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，薄膜能隙值將不斷減小，最終由半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體；而隨著負(fù)電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，其能隙值將呈現(xiàn)出近乎線性增加。圖3以電場(chǎng)對(duì)三層F-GaN-H納米薄膜電學(xué)性質(zhì)調(diào)控效果為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。沒(méi)有電場(chǎng)時(shí)，F(xiàn)-GaN-H納米薄膜為直接能隙，能隙值為0.82 eV。當(dāng)施加正電場(chǎng)時(shí)，直接能隙值將會(huì)減小，在電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到F =+0.20 V/時(shí)，其能級(jí)將會(huì)貫穿費(fèi)米面，轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體。當(dāng)施加負(fù)電場(chǎng)時(shí)，直接能隙值將會(huì)增加，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到F= -0.30 V/時(shí)，其能隙值將會(huì)增加到2.18 eV。

表面修飾和電場(chǎng)對(duì)氮化鎵納米薄膜能隙有著重要的調(diào)控作用，研究發(fā)現(xiàn)其能帶結(jié)構(gòu)主要由表面吸附的原子來(lái)決定。當(dāng)薄膜厚度層數(shù)為兩層時(shí)，H-GaN-H和H-GaN-F納米薄膜直接能隙的大小受到表面吸附的H1s和F 2p軌道的調(diào)控作用；而H-GaN-Cl納米薄膜表面的H 1s和Cl 2p軌道貫穿費(fèi)米面，促使其轉(zhuǎn)變導(dǎo)體。對(duì)于兩層和三層F-GaN-H納米薄膜，表面吸附的F 2p軌和H 1s軌道分別對(duì)價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底起著重要的調(diào)控作用，并且表面吸附的氟原子和氫原子的電荷轉(zhuǎn)移和軌道能級(jí)伴隨薄膜厚度的增加也發(fā)生變化，因而能隙隨之減小。

圖4給出了三層F-GaN-H納米薄膜在不同電場(chǎng)強(qiáng)度下最高占據(jù)態(tài)分子軌道圖和最低未占據(jù)態(tài)分子軌道圖。研究結(jié)果表明，在垂直電場(chǎng)作用下，最低未占據(jù)態(tài)分子軌道主要占據(jù)表面氮原子和其吸附的氫原子；而最高占據(jù)態(tài)分子軌道主要占據(jù)表面氮原子和其吸附的氟原子。這意味著表面修飾和電場(chǎng)促使氮化鎵納米薄膜空穴和電子的輸運(yùn)軌道分離，具有準(zhǔn)類型II的能帶排列的特點(diǎn)。這將改善載流子的有效工作時(shí)間并增強(qiáng)小尺寸半導(dǎo)體納米薄膜性質(zhì)。因此，表面修飾和電場(chǎng)提供了一種既經(jīng)濟(jì)又有效的方法來(lái)改變單一半導(dǎo)體納米薄膜性質(zhì)，為其實(shí)際應(yīng)用于納米電子器件的設(shè)計(jì)具有重要的意義。

3 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)?shù)壖{米薄膜層厚相同時(shí)，不同的表面修飾可有效調(diào)節(jié)其能隙；隨著層厚增加時(shí)，其能隙將會(huì)減小，最終由半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體。在電場(chǎng)作用下，能隙將依賴電場(chǎng)的方向，隨著電場(chǎng)強(qiáng)度增加而增加或降低。表面修飾和電場(chǎng)促使空穴和電子輸運(yùn)軌道分離，為其應(yīng)用于納米電子器件提供重要的理論指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

[1] Tang Qing，Cui Yao， Li Yafei， et al. How do surface and edge effects alter the electronic properties of GaN nanoribbons [J].Journal of Physical Chemistry C， 2011，115（5）：1724-1731.

[2] 董海明.摻雜石墨烯系統(tǒng)電場(chǎng)調(diào)控的非線性太赫茲光學(xué)特性研究[J].物理學(xué)報(bào)，2013，62（23）：373-377.

[3] Li Yafei，Che Zhongfang.Tuning electronic properties of Germanane layers by external electric field and biaxial tensile strain：a computational study[J].Journal of Physical Chemistry C，2014，118（2）：1148-1154.

[4] B.Delley.From molecules to solids with the DMol3 approach[J].Journal of Chemical Physics，2000，113（18）：7756-7764.