金刚石/立方氮化硼异质界面电学性能的第一性原理研究
金刚石具有极高硬度、宽禁带、化学惰性、高热导率、高击穿电场、低热膨胀系数、高载流子迁移率、宽光学透过率、生物相容性等优异性能，因此金刚石在物理、器件(高功率高频高温电子器件、微波器件)和应用方面的特殊性能而备受关注。金刚石具有(100)、(110)和(111)三种典型低指数表面。其中(100)金刚石晶体质量较高，通过化学气相沉积法生长的金刚石可用于制备高性能半导体器件。(111)和(110)金刚石表面最外层碳原子只有一个悬键，而(100)金刚石表面最外层碳原子有两个悬键，因此(100)金刚石需要通过表面重构形成二聚体降低表面能。 立方氮化硼硬度仅次于金刚石，具有超宽带隙，低介电常数、高热导性、高化学稳定性和热稳定性等特点，在大功率电子器件领域中具有广阔的应用趋势。立方氮化硼的晶格常数与金刚石的晶格常数能够良好的匹配，因此，金刚石常用作生长立方氮化硼的基底材料。然而，通过这些实验手段制备的金刚石和立方氮化硼异质结的晶体质量较差，很难直接观察到界面结构，并且很难准确测量异质结构的电学性能，但是异质结构的界面性能是应用于纳米器件的基础。因此，本文使用第一性原理方法，对金刚石和立方氮化硼异质结，以及金刚石/立方氮化硼范德华异质结的结构和电学性质进行系统计算，讨论结构稳定性，并阐明电学性质的决定因素，获得了以下创新性研究成果。 1、本文研究了(111)、(100)和(110)金刚石和立方氮化硼异质结构的界面结构和电学性能。研究发现，在界面碳-氮成键的异质结构上出现了n型表面掺杂，电子密度分别为6.57×1013~1.57×1014cm-2，在界面碳-硼成键的异质结构上出现了p型表面掺杂，空穴密度分别为2.24×1014~3.72×1014cm-2，这是由界面处电荷转移导致的。异质结构的掺杂特性是由界面成键决定的，与表面功能化和晶体取向无关。界面碳-氮成键的异质结构形成能分别为1.119eV~3.300eV，界面碳-硼成键的异质结构形成能分别为0.682eV~1.587eV，证明界面碳-硼成键的异质结构比界面碳-氮成键的异质结构更容易形成。 2、本文采用第一性原理计算方法系统地研究了(100)、(110)和(111)金刚石/立方氮化硼范德华异质结构的电学性能。金刚石和立方氮化硼之间的界面距离和界面结合能表明金刚石与立方氮化硼之间是弱的范德华相互作用，这与金刚石和立方氮化硼表面的原子都被氢原子完全饱和的事实是一致的。不同于宽带隙和间接带隙的体金刚石和氮化硼材料，金刚石/立方氮化硼异质结构是直接带隙半导体，且带隙值是0.647~2.948eV。
金刚石;立方氮化硼;异质界面;界面电荷转移;第一性原理计算
吉林大学
硕士
凝聚态物理
高楠
2023
中文
TB383
2023-08-23（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）