VA族元素掺杂碳化硅纳米管的第一性原理研究

【摘要】自从1991年碳纳米管发现以来,理论和实验表明了不同类型纳米管的存在奇特而多样的性质。通过这些研究,人们发现碳纳米管的金属性和半导体性由其管径和手性所决定,但是氮化硼纳米管,碳化硅纳米管,氮化镓纳米管和氧化锌纳米管其半导体特性是不受手性和管径的影响的。碳化硅作为一种三代宽带隙半导体材料,由于其的宽禁带、高热导率、高饱和电子迁移率、高临界激发场强、抗辐射能力强等特点,已经被广泛的应用在高温、高频、高压和大功率等领域。碳化硅纳米管是由两种电负性差别很大的Ⅳ族元素组成的,其成键展现出很强极性共价键特点,所以其几何结构非常稳定,大量的理论和实验证明碳化硅纳米管具有稳固的形态,因此其在电子结构,磁学性能和化学性能相较于碳纳米管更加稳定,这也说明碳化硅纳米管在航空航天、微电子和光电器件等领域有更加广阔的应用空间。ⅢA和VA族元素经常被用于硅或者碳化硅体材料的掺杂。自从研究发现,碳化硅纳米管展现出了半导体性质,ⅢA和VA族元素就被分别视作是其N型和P型掺杂剂,而硼原子和氮原子作为杂质经常出现在碳化硅材料中。因此,研究这些杂质对碳化硅纳米管的影响成为了一项重要的工作。硼掺杂碳化硅纳米管展现出P型半导体性质,这是因为硼的比周围原子少一个价电子,而氮原子比周围原子多出一个价电子。学者们通过第一性原理计算对硼和氮掺杂碳化硅纳米管的性质做了大量的研究。VA族元素中的N原子掺杂碳化硅纳米管的研究已经有过报道,但是目前并没有人对其它VA族元素掺杂进行系统的研究。本文通过密度泛函理论计算,第一次系统的研究了N、P、As和Sb原子分别掺杂(9,0)型碳化硅纳米管后的性质。结果表明,随着掺杂的VA族原子半径的增加,电负性的减弱,其能带结构发生了较大改变,特别是As/Sb分别取代Si原子后,其能带展示出P型半导体特性,这点不同于N原子掺杂后的半金属性,P原子掺杂后表现出的N型半导体特性。计算结果说明五族元素掺杂碳化硅纳米管并不都是N型掺杂。
【作者】陈达城；
【导师】戴剑锋；
【作者基本信息】兰州理工大学，凝聚态物理，2014，硕士
【关键词】第一性原理；碳化硅纳米管；N型半导体；P型半导体；VA族元素；掺杂；

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