光伏半導(dǎo)體材料和Cu基存儲材料的第一性原理研究

【摘要】：本論文的工作主要包括兩部分。第一部分是光伏半導(dǎo)體材料方面的研究工作,介紹光伏半導(dǎo)體基本性質(zhì)的研究和分析方法,以及光伏半導(dǎo)體性質(zhì)隨化學(xué)組分的變化趨勢,然后闡述半導(dǎo)體合金對半導(dǎo)體性質(zhì)的細(xì)致調(diào)節(jié)作用,并介紹形成合金的兩種重要方法——同價元素替換(isovalent element substitution)法和元素置換(element mutation)法。我們分別以改善CdTe太陽能電池和改善單晶Si太陽能電池為例,說明兩種合金方法在改善光伏半導(dǎo)體性質(zhì),尋找或者設(shè)計新型光伏半導(dǎo)體材料方面的重要意義。在研究無缺陷半導(dǎo)體及其合金之后,闡述半導(dǎo)體缺陷性質(zhì)的重要性,并以MgTe體系和Cu2ZnSnS(Se)4體系為例,介紹半導(dǎo)體及其合金缺陷性質(zhì)研究的各個方面,研究方法以及外界因素的影響。第二部分是Cu基過渡金屬氧化物存儲材料的研究工作。這一部分介紹兩種在存儲方面具有潛力的Cu基材料,包括通過磁電耦合實(shí)現(xiàn)存儲的多鐵性材料Cu2OSeO3和基于電阻高低轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)存儲的二元過渡金屬氧化物Cu2O。 本論文的具體內(nèi)容如下： 第一章簡要介紹當(dāng)前功能材料研究領(lǐng)域的兩大熱點(diǎn)：太陽能光伏材料以及新一代存儲材料。在闡述這些材料對解決當(dāng)前產(chǎn)業(yè)問題的重要性基礎(chǔ)上,介紹這些功能材料的工作原理,材料己知的基本性質(zhì)和研究現(xiàn)狀等。第二章簡要介紹第一性原理計算方法的理論基礎(chǔ),包括從多體問題到單電子問題的簡化思想和近似,以及密度泛函理論等。 第三、四、五、六章介紹光伏半導(dǎo)體材料的研究工作。其中,第三章介紹對3種Ⅱ-Ⅵ族Te化物MgTe, ZnTe和CdTe二元半導(dǎo)體的研究,包括3種物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)性質(zhì),以及它們之間的帶邊相對位置等,發(fā)現(xiàn)從MgTe到ZnTe到CdTe,其最高占據(jù)態(tài)的能級逐漸增大,我們從芯能級絕對形變勢和p-d耦合作用兩個方面的影響,解釋了這種變化趨勢的物理原因。然后通過構(gòu)建合理的無序合金結(jié)構(gòu)模型,研究了三種碲化物兩兩之間形成的無序合金的性質(zhì),包括能隙的彎曲系數(shù),合金結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性等,揭示了無序合金對CdTe光伏半導(dǎo)體材料的改善作用。研究表明,MgTe和CdTe形成的(Mg,Cd)Te合金不僅晶格和CdTe非常匹配,而且其形成能很低。這種合金可以減少Cd元素的使用,同時可以通過調(diào)節(jié)MgTe的組分(MgTe的含量不能超過80%),實(shí)現(xiàn)1.48-3.02eV之間的光吸收。 第四章,基于元素置換思想,我們研究了一種新型的半導(dǎo)體合金材料,Si3Al,它可以看作是Si和AlP形成的非同價半導(dǎo)體合金。我們對該種材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)性的搜索,并分析了其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,表明Cc結(jié)構(gòu)的Si3AlP可以穩(wěn)定存在和合成。研究其光學(xué)性質(zhì)發(fā)現(xiàn),Cc結(jié)構(gòu)的Si3AlP具有優(yōu)于單晶Si的光學(xué)吸收譜,無論在低能量區(qū)域(1.5～2.5eV)還是高能量區(qū)域(3.0～3.5eV),其光吸收均明顯大于Si。通過對其電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)的研究,我們解釋了它具有更優(yōu)異光學(xué)性質(zhì)的物理機(jī)制。 第五章介紹對MgTe體系的缺陷性質(zhì)研究,闡述缺陷性質(zhì)計算的基本方法,然后系統(tǒng)性研究了該體系的本征點(diǎn)缺陷,摻雜性質(zhì),以及復(fù)合缺陷等,包括缺陷的形成能,缺陷躍遷能級,以及影響缺陷穩(wěn)定性的各種補(bǔ)償機(jī)制等,并給出了最有利的缺陷形式及其生長條件。 第六章針對四元半導(dǎo)體Cu2ZnSnS(Se)4,研究了其主要受主缺陷VCu和·CuZn的缺陷能級隨晶格常數(shù)變化的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)VCu的缺陷能級隨著晶格常數(shù)變大有逐漸變深的趨勢,而Cuzn的缺陷能級隨著晶格常數(shù)的變大而逐漸變淺。我們從壓強(qiáng)效應(yīng)和p-dd耦合效應(yīng)兩個方面解釋了這種變化趨勢的原因。 第七、八章介紹Cu基過渡金屬氧化物存儲材料的研究工作。其中,第七章介紹對多鐵性材料Cu2OSeO3勺研究,闡述研究多鐵性材料的自旋哈密頓量模型和推導(dǎo)自旋相互作用參數(shù)和極化系數(shù)矩陣的能量映射四態(tài)法,并通過第一性原理計算了該體系的自旋相互作用參數(shù)。我們發(fā)現(xiàn)該體系具有異常強(qiáng)的DM相互作用,從而導(dǎo)致它的自旋基態(tài)為螺旋序排布,而且螺旋序基態(tài)具有簡并性,即能量僅取決于自旋傳播矢量的大小,而與方向無關(guān)。結(jié)合這兩方面,我們在一定程度上解釋了該體系中觀測到的自旋渦旋態(tài)(skyrmion)?；诩瘓F(tuán)展開思想,我們發(fā)展和完善了自旋引起的鐵電極化理論,根據(jù)我們的自旋極化模型,自旋引起的鐵電極化可以歸為單自旋項(xiàng)和對自旋項(xiàng)的貢獻(xiàn)之和(三自旋及以上的項(xiàng)暫未考慮)。通過能量映射四態(tài)法,我們給出了推導(dǎo)自旋鐵電極化系數(shù)的第一性原理計算方法。基于該模型,并結(jié)合該體系的對稱性分析,我們發(fā)現(xiàn)Cu2OSeO3的鐵電極化主要來自于單自旋項(xiàng)。模型分析,第一性原理計算,以及實(shí)驗(yàn)三者之間的結(jié)果十分一致,表明了自旋極化模型的正確性。 第八章介紹我們研究的Cu20體系的電阻轉(zhuǎn)換機(jī)制。不同于其他二元過渡金屬氧化物,Cu20中最容易形成的缺陷為Cu空位。通過對Cu空位在Cu20中以及在Cu2O和Cu界面處的遷移勢壘研究,我們提出的基于Cu空位連接與斷開的電阻轉(zhuǎn)換機(jī)制,與現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠很好的符合,同時豐富了對該類存儲器的物理認(rèn)識。 【關(guān)鍵詞】：半導(dǎo)體 合金 缺陷性質(zhì) MgTe Si_3AlP 光學(xué)性質(zhì) 多鐵 Cu_2OSeO_3 存儲 Cu_2O 第一性原理
【學(xué)位授予單位】：復(fù)旦大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2013
【分類號】：TN304
【目錄】：

• 摘要3-6
• Abstract6-9
• 目錄9-15
• 第一章 太陽能光伏材料和新一代存儲材料簡介15-43
• 1.1 太陽能光伏半導(dǎo)體材料簡介16-30
• 1.1.1 太陽能電池的原理、性能參數(shù)和理想材料16-22
• 1.1.2 基本太陽能電池光伏半導(dǎo)體材料的性質(zhì)22-26
• 1.1.3 半導(dǎo)體太陽能電池的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展26-30
• 1.2 新型存儲材料簡介30-36
• 1.2.1 多鐵性存儲材料31-34
• 1.2.2 電阻可變性氧化物存儲材料34-36
• 1.3 本章總結(jié)36-39
• 參考文獻(xiàn)39-43
• 第二章 第一性原理計算的理論與方法43-61
• 2.1 多粒子體系的薛定諤方程43-44
• 2.2 絕熱近似44-45
• 2.3 哈特利-福克方法45-49
• 2.3.1 哈特利近似45-47
• 2.3.2 福克近似47-49
• 2.4 Hohenberg-Kohn 定理49-51
• 2.5 Kohn-Sham 方程51-52
• 2.6 交換關(guān)聯(lián)泛函的近似52-54
• 2.7 Kohn-Sham 方程的程序解法簡介54-57
• 2.7.1 平面波方法55-56
• 2.7.2 贗勢方法56
• 2.7.3 程序計算框架56-57
• 2.8 本章總結(jié)57-59
• 參考文獻(xiàn)59-61
• 第一部分 光伏半導(dǎo)體材料的第一性原理研究61-147
• 第三章 Ⅱ-Ⅵ族二元碲化物XTe(X=Mg,Zn,Cd)及其合金的性質(zhì)研究63-97
• 3.1 研究背景63-64
• 3.2 常見Ⅱ-Ⅵ族二元半導(dǎo)體化合物的基本結(jié)構(gòu)64-65
• 3.3 MgTe,ZnTe和CdTe的結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)65-82
• 3.3.1 結(jié)構(gòu)性質(zhì)65-68
• 3.3.2 電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)68-75
• 3.3.3 MgTe,ZnTe和CdTe之間的自然帶邊偏移75-82
• 3.4 MgTe,ZnTe和CdTe兩兩之間的無序合金研究82-91
• 3.4.1 無序合金的SQS方法83-84
• 3.4.2 B3,B4以及B8結(jié)構(gòu)的SQS結(jié)構(gòu)84-89
• 3.4.3 A_xB_(1-x)Te無序合金的形成能89-91
• 3.5 本章小結(jié)91-93
• 參考文獻(xiàn)93-97
• 第四章 基于元素置換的新型合金Si_3AlP的第一性原理研究97-115
• 4.1 研究背景97-99
• 4.2 Si_3AlP的結(jié)構(gòu)99-103
• 4.3 Cc以及類Cc結(jié)構(gòu)的Si_3AlP的穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)性質(zhì)103-104
• 4.4 Cc以及類Cc結(jié)構(gòu)的Si_3AlP的光吸收性質(zhì)104-105
• 4.5 Cc結(jié)構(gòu)Si_3AlP的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)105-111
• 4.6 本章小結(jié)111-113
• 參考文獻(xiàn)113-115
• 第五章 MgTe缺陷性質(zhì)的第一性原理研究115-139
• 5.1 研究背景115-116
• 5.2 影響缺陷摻雜的因素116
• 5.3 缺陷形成能及缺陷能級的計算方法116-121
• 5.4 MgTe中的中性點(diǎn)缺陷形成能121-124
• 5.5 MgTe本征點(diǎn)缺陷不荷電時的能級位置124-127
• 5.6 MgTe中理想缺陷的選擇127-129
• 5.6.1 受主能級的選擇127-128
• 5.6.2 施主能級的選擇128-129
• 5.7 MgTe中的缺陷補(bǔ)償效應(yīng)129-135
• 5.7.1 本征補(bǔ)償缺陷130-131
• 5.7.2 外部摻雜元素的自我補(bǔ)償缺陷131-132
• 5.7.3 AX缺陷中心132-134
• 5.7.4 DX缺陷中心134-135
• 5.8 MgTe中缺陷對的摻雜135-136
• 5.9 本章總結(jié)136-137
• 參考文獻(xiàn)137-139
• 第六章 應(yīng)變對Cu_2ZnSnS_4和Cu_2ZnSnSe_4缺陷能級的影響139-147
• 6.1 研究背景139-140
• 6.2 CZTS和CZTSe的缺陷性質(zhì)與晶格常數(shù)的關(guān)系140-141
• 6.3 壓強(qiáng)效應(yīng)141-142
• 6.4 p-d耦合效應(yīng)142-143
• 6.5 對缺陷能級與晶格常數(shù)關(guān)系的解釋143-144
• 6.6 本章總結(jié)144-145
• 參考文獻(xiàn)145-147
• 第二部分 Cu基存儲材料的第一性原理研究147-177
• 第七章 Cu基多鐵材料Cu_2OSeO_3的自旋渦旋態(tài)及鐵電極化機(jī)理的第一性原理研究149-165
• 7.1 研究背景149-150
• 7.2 自旋體系的哈密頓量模型150-152
• 7.3 磁電耦合的鐵電極化模型152-153
• 7.4 Cu_2OSeO_3的自旋相互作用和自旋渦旋態(tài)產(chǎn)生的機(jī)理153-157
• 7.5 Cu_2OSeO_3中的鐵電極化157-160
• 7.6 本章總結(jié)160-163
• 參考文獻(xiàn)163-165
• 第八章 Cu_2O電阻性隨機(jī)存儲材料的第一性原理研究165-177
• 8.1 研究背景165-166
• 8.2 Cu_2O的結(jié)構(gòu)和缺陷性質(zhì)166-168
• 8.3 銅空位在Cu_2O中的遷移168-170
• 8.4 銅空位在Cu_2O與Cu電極界面附近的遷移170-172
• 8.5 本章總結(jié)172-173
• 參考文獻(xiàn)173-177
• 第三部分 附錄177-195
• 附錄A 馬德隆能179-181
• 附錄B 自旋相互作用參數(shù)計算的四態(tài)能量映射方法181-187
• B.1 自旋對稱交換相互作用參數(shù)J的計算181
• B.2 DM相互作用參數(shù)D的計算181-183
• B.2.1 D_(12)~z的計算182
• B.2.2 D_(12)~x的計算182
• B.2.3 D_(12)~y的計算182-183
• B.3 單粒子各向異性相互作用參數(shù)A的計算183-187
• B.3.1 A~(yy)-A~(xx)的計算183-184
• B.3.2 A~(zz)-A~(xx)的計算184
• B.3.3 A~(xy)的計算184
• B.3.4 A~(xz)的計算184-185
• B.3.5 A~(yZ)的計算185
• B.3.6 存在高對稱軸的情況185-187
• 附錄C 自旋引起的鐵電極化矩陣系數(shù)計算的四態(tài)能量映射方法187-195
• C.1 單自旋極化矩陣系數(shù)P_s~M的計算187-190
• C.1.1 P_s~(yy)-P_s~(xx)的計算188
• C.1.2 P_s~(zz)-P_s~(xx)的計算188
• C.1.3 P_s~(xy)的計算188-189
• C.1.4 P_s~(xz)的計算189
• C.1.5 P_s~(yz)的計算189-190
• C.2 自旋對極化矩陣系數(shù)P_P~M的計算190-195
• C.2.1 P_p~(xx)的計算190
• C.2.2 P_p~(xy)的計算190-191
• C.2.3 P_p~(xz)的計算191
• C.2.4 P_p~(yx)的計算191
• C.2.5 P_p~(yy)的計算191-192
• C.2.6 P_p~(yz)的計算192
• C.2.7 P_p~(zx)的計算192-193
• C.2.8 P_p~(zy)的計算193
• C.2.9 P_p~(zz)的計算193-195
• 發(fā)表文章目錄195-199
• 致謝199-203

您可以在本站搜索以下學(xué)術(shù)論文文獻(xiàn)來了解更多相關(guān)內(nèi)容

量子力學(xué)一維方勢阱、Landau能級、表象和表象變換的教學(xué)與實(shí)例    盧其亮;

不對稱周期勢中的一維粒子狀態(tài)研究    劉國松;劉思源;

金屬摻雜銳鈦礦相TiO_2的第一性原理計算    王海東;萬巍;

過渡金屬摻雜金紅石相TiO_2能帶結(jié)構(gòu)的第一性原理計算    陳琦麗;唐超群;

磷摻雜金紅石TiO_2電子結(jié)構(gòu)的第一性原理研究    宋橋臺;楊蘋;王錦標(biāo);魯雄;黃楠;

鈦基梯度功能材料電場激活原位合成    陳少平;張楠;薛鵬飛;孟慶森;

固體能帶計算方法探討    尤鳳翔,龔善初,陳文濤

量子阱中二維電子氣的性質(zhì)    劉富義

施加電場的半拋物量子阱中束縛態(tài)的能級結(jié)構(gòu)    張立,謝洪鯨

從頭計算在礦物壓致相變研究中的應(yīng)用    巫翔,秦善,吳自玉

原子分子在δ-Pu上的吸附、離解與擴(kuò)散過程研究    魏洪源

金屬摻雜TiO_2和ZnO的第一性原理研究    于曉慧

金屬離子摻雜的ZnO第一性原理計算及透明導(dǎo)電薄膜制備研究    譚紅琳

反應(yīng)合成銀氧化錫復(fù)合材料的合成機(jī)制與性能研究    陳敬超

反應(yīng)合成AgCuO復(fù)合材料的組織均勻化及界面結(jié)構(gòu)研究    周曉龍

ZnO表界面及其相關(guān)特性的第一性原理研究    王立惠

非磁性離子摻雜寬帶隙半導(dǎo)體磁性的第一性原理研究    俞琳

密度泛函理論計算在電催化反應(yīng)以及電催化劑設(shè)計中的應(yīng)用    歐利輝

生物大分子的量子和經(jīng)典的理論計算研究    伊長虹

分子器件彈性和非彈性電子輸運(yùn)性質(zhì)的理論研究    藺麗麗

超導(dǎo)材料性質(zhì)和半導(dǎo)體表面重構(gòu)及表面合金性質(zhì)    李沖

輕金屬LiAlH_4，LiBH_4儲放氫第一性原理研究    崔向前

第一原理研究六方氮化硼不同結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性    肖柳

稀土鎂合金β'和β"以及6HLPS相的第一性原理研究    陳平

鐵電存儲器用鈦酸鉍材料的第一性原理計算及電導(dǎo)機(jī)制分析    劉芬

鋁基金屬間化合物電子結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)的第一性原理研究    楊春娣

四方相BaTiO_3缺陷性質(zhì)的第一性原理研究    劉柏年

Al-Mg-TM合金的熱性質(zhì)及Mg_(97)Zn_1Y_2中24R型長周期相的微結(jié)構(gòu)    李冬林

鋰離子電池正極材料LiMPO_4（M=Mn，F(xiàn)e）的第一性原理研究    聶正新

蛋白激酶與其抑制劑分子結(jié)合的作用機(jī)理研究    王壽山

瑞士開發(fā)新半導(dǎo)體材料“功耗為硅的十萬分之一”    

半導(dǎo)體材料的淺釋    李翔;曹燦華;翟堃;喬榮學(xué);

對半導(dǎo)體材料研究的一些意見    呂猶龍;汪炳南;

半導(dǎo)體材料    林蘭英;

激光對半導(dǎo)體材料熱作用的理論計算    沈中華,倪曉武,陸建

半導(dǎo)體材料    

半導(dǎo)體材料    

半導(dǎo)體材料    

半導(dǎo)體材料    

半導(dǎo)體材料的化學(xué)功能——光催化技術(shù)與環(huán)境保護(hù)    錢振型

半導(dǎo)體材料測量技術(shù)的新進(jìn)展    華慶恒;汝瓊娜;

高性能有機(jī)場效應(yīng)晶體管半導(dǎo)體材料的設(shè)計、合成及性能研究    孟青;王成亮;江浪;李洪祥;胡文平;

半導(dǎo)體材料工藝技術(shù)研究進(jìn)展    屠海令;

金屬、非金屬、半導(dǎo)體材料對細(xì)胞生長的影響    常曉天;徐欣;王陽;郭煜;

納米集成電路用半導(dǎo)體材料的科學(xué)與技術(shù)問題    屠海令;

半導(dǎo)體材料的紅外吸收及低發(fā)射率方法研究    顧冰芳;徐國躍;任菁;蔡剛;羅艷;

CdS-TiO_2復(fù)合半導(dǎo)體材料的制備    葉謙;周峰;

高性能陰極熒光分析系統(tǒng)及其在氮化物半導(dǎo)體材料中的應(yīng)用    徐軍;徐科;陳莉;張會珍;

配位型有機(jī)/無機(jī)復(fù)合半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)研究    喬娟;王威;邱勇;

第9章 微電子半導(dǎo)體材料與器件    

省信息產(chǎn)業(yè)廳領(lǐng)導(dǎo)專題調(diào)研我市半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)基地    田玉華 記者 劉領(lǐng)

新工藝面臨技術(shù)挑戰(zhàn)半導(dǎo)體材料時代來臨    梁紅兵

半導(dǎo)體材料：追逐時代浪潮    

去年半導(dǎo)體材料市場達(dá)420億美元 中國增長排首位    楊春

全球半導(dǎo)體材料市場仍將強(qiáng)勁增長    肖化

新政策對半導(dǎo)體材料業(yè)有積極作用    

模式創(chuàng)新更加重要    馮健

東方電氣集團(tuán)峨嵋半導(dǎo)體材料有限公司成立    本報記者 許金波

我國半導(dǎo)體材料業(yè)十年大跨越    中國電子材料行業(yè)協(xié)會經(jīng)濟(jì)技術(shù)管理部 祝大同 李清巖

超高壓下半導(dǎo)體材料可變身拓?fù)浣^緣體    記者 常麗君

低維半導(dǎo)體材料的電子自旋結(jié)構(gòu)及設(shè)計    趙旭光

半導(dǎo)體材料的電沉積制備及其形貌控制研究    李赫

零維半導(dǎo)體材料的電子結(jié)構(gòu)研究    賈博雍

氧化鋅基半導(dǎo)體材料的拉曼光譜研究    孔晉芳

新型結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料的制備與表征    梁建

新型半導(dǎo)體材料的制備及性能研究    俞笑竹

有機(jī)自旋小分子半導(dǎo)體材料與器件制備及特性研究    林亮

有機(jī)功能半導(dǎo)體材料的合成，性質(zhì)及其聚集體的納米結(jié)構(gòu)    蘇煒

幾種半導(dǎo)體材料電子結(jié)構(gòu)及光催化性質(zhì)的理論研究    朱應(yīng)濤

ZnO半導(dǎo)體材料的形貌、微結(jié)構(gòu)調(diào)控及其性能研究    劉海霞

半導(dǎo)體材料低溫?zé)o磨料超光滑表面拋光分析的研究    張忠恕

有機(jī)功能半導(dǎo)體材料的設(shè)計合成與性能研究    朱芳

半導(dǎo)體材料測試儀器的設(shè)計與制作    柯曉娟

半導(dǎo)體材料帶隙寬度的尺寸和溫度效應(yīng)研究    陳玉明

鎵基半導(dǎo)體材料的二次轉(zhuǎn)化法制備與表征    王曉斌

激光與半導(dǎo)體材料相互作用的熱效應(yīng)分析    黎小鹿

半導(dǎo)體材料的電沉積制備及其光電性能研究    陳科立

多功能半導(dǎo)體材料測試儀的設(shè)計    徐仁伯

內(nèi)建電場對納結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料功函數(shù)調(diào)制研究    安盼龍

典型半導(dǎo)體材料的第一性原理研究    何開華