1 浙江经济职业技术学院 汽车技术学院,杭州 310018
2 浙江理工大学 机械工程学院,杭州 310018
3 浙江大学 信息与电子工程学院,杭州 310027
设计并制备了一种基于忆阻器结构且具有可编程特性的Ge基光控晶体管，它由两个结构为Ni/Ge/GeOx/Al2O3∶HfO2/Pd的忆阻器背对背组成，共用阻变层GeOx/Al2O3∶HfO2、衬底Ge和底电极Ni，阻变层的设计是实现光控晶体管功能的关键。两个顶电极Pd作为光控晶体管源漏极，中间区域作为栅极接受外加光源的栅控。探究了Ge基忆阻器光电响应特性，并实现光控晶体管基于光源栅控的输出与转移特性。进一步地，探究了器件的物理机制并验证设计的科学性和可行性。该光控晶体管具有非易失性与标准CMOS工艺兼容性等优势，能有效简化器件制备工艺、降低制造成本，可为下一代光电芯片研发提供参考。
锗 忆阻器 光控晶体管 光电特性 器件物理 氧空位缺陷态 能带结构 非平衡载流子 Ge memristor phototransistor photoelectric characteristic device physics oxygen vacancy defect energy band structure non-equilibrium carriers
北京石油化工学院新材料与化工学院, 北京 102617
本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了不同Al掺杂浓度β-Ga2O3(即(AlxGa1-x)2O3)的晶体结构、电荷密度分布、能带结构、态密度和光学性质, 并对本征β-Ga2O3和不同Al掺杂浓度的β-Ga2O3的计算结果进行了分析对比。结果表明, 随着Al掺杂浓度的增加, (AlxGa1-x)2O3的晶格常数和键长均单调减小, 而带隙逐渐增大。β-Ga2O3导带底上方存在主要由Ga 4s和Al 3p轨道组成的中间带, Al掺杂在此中间带引入杂质能级, 从而导致带隙增加。同时, Al的引入使态密度向高能侧偏移了近3 eV, 也导致了带隙的增加。根据光学性质的计算结果, 在掺杂Al后, 介电函数的虚部和吸收系数均观察到明显的蓝移现象。这是由价带顶中的O 2p态和导带底中的Ga 4s态之间的跃迁产生的。并且, 随着Al掺杂浓度的增加, 蓝移现象加剧。本文研究可为基于(AlxGa1-x)2O3光电器件的设计提供思路和理论指导。
第一性原理 掺杂 Al掺杂β-Ga2O3 能带结构 电子结构 光学性质 first-principle doping Al-doped β-Ga2O3 band structure electronic structure optical property
1 太原理工大学新材料界面科学与工程教育部重点实验室, 太原 030024
2 山西浙大新材料与化工研究院, 太原 030000
3 陕西科技大学材料原子·分子科学研究所, 西安 710021
本文设计了纳米线核壳AlGaN/GaN异质结构, 研究了势垒层厚度、Al组分、掺杂浓度对平面和纳米线异质结构中二维电子气(2DEG)浓度的影响规律。结果表明, 随着势垒层厚度的逐渐增大, 两种结构中2DEG浓度增速逐渐减缓, 当达到40 nm后, 由于表面态电子完全发射, 2DEG浓度逐渐稳定不变。随着Al组分的增加, 极化效应逐渐增强, 使得两种结构在异质界面处的2DEG浓度都逐渐增加。当掺杂浓度逐渐提高时, 两者在异质界面处电势差增大, 势阱加深, 束缚电子能力加强, 最终导致2DEG浓度逐渐增加, 当掺杂浓度增加到2.0×1018 cm-3后, 2DEG面密度达到最大值。与平面结构相比, 纳米线结构可以实现更高的Al组分, 在高Al组分之下, 2DEG面密度最高可达5.13×1013 cm-2, 相比于平面结构有较大的提高。
纳米线结构 平面结构 二维电子气浓度 异质结构 能带结构 AlGaN/GaN AlGaN/GaN nanowire structure planar structure two-dimensional electron gas concentration heterostructure band structure
1 特种环境复合材料技术国家级重点实验室(哈尔滨工业大学), 哈尔滨 150001
2 微系统与微结构制造教育部重点实验室(哈尔滨工业大学), 哈尔滨 150001
5G 通信、能源互联网、新能源汽车、量子技术等高精尖领域对半导体的性能提出了新的更高的要求。第四代半导体金刚石因具有优异的物理化学性能被誉为“终极半导体”, 被认为是制备下一代高功率、高频、高温及低功率损耗电子器件最理想的材料。而浅n型掺杂的技术瓶颈一定程度阻碍了金刚石半导体应用的发展。表面终端研究为金刚石功能化的发展提供了新的策略, 金刚石通过表面终端实现了场效应晶体管、肖特基二极管、日盲紫外探测器、电子发射器件和近表面色心调控等重要应用, 而表面终端发挥作用的机理与其能带结构特点密不可分。本文综述了几种常见终端的能带研究方法, 分析其能带的结构特点, 结合特点介绍其发挥作用的机理, 并进行了总结和展望。
金刚石 表面终端 能带结构 二维空穴气 肖特基结 紫外探测 diamond surface terminal energy band structure two-dimensional hole gas Schottky junction ultraviolet detection
给出了一种计算二维色散介质光子晶体能带结构的方法，研究二维色散介质光子晶体的特性。考虑色散光子晶体，即介电常数与频率相关，求解一个非线性特征值问题得到能带结构。首先，基于光子晶体电磁波传播的控制方程组推导出变分形式，对离散以后的非线性问题选择合适的解作为初始值，基于牛顿法对不同的波矢值求解该非线性问题，获得色散关系，从而得到光子晶体的能带结构分布。基于数值方法，求解了几种不同的色散介质光子晶体在横电（TE）、横磁（TM）模式下的能带结构，数值结果表明该方法是有效的。
色散光子晶体 能带结构 有限元方法 光子带隙 牛顿法 激光与光电子学进展
2023, 60(9): 0926001
MoTe2由于其类石墨烯的堆叠方式和丰富的相结构而引起科研人员的广泛研究，特别是合适的禁带宽度使其在光电器件领域有着光明的应用前景。基于非平衡格林函数密度泛函理论,通过第一性原理计算方法，研究了不同原子空位缺陷对单层2HMoTe2光电效应的影响。结果表明：不同空位缺陷下2HMoTe2器件的光电流函数与唯象理论相符合。光子能量在1.0~2.8 eV时，2Te空位缺陷对单层2HMoTe2的光电流有显著提升，特别是在光子能量2.6 eV时获得所有器件的最大光电流。利用能带结构发现不同原子空位缺陷都导致单层2HMoTe2的价带向高能级处偏移,而导带向低能级处偏移，减小了带隙，在线性偏振光的照射下有利于电子从价带跃迁到导带形成光电流。同时发现1Te空位缺陷和Mo空位缺陷的单层2HMoTe2在远离费米能级处具有相似的能带结构，从而导致在光子能量大于1.6 eV时，1Te空位和Mo空位器件的光电流随光子能量的变化拥有相同的变化趋势。这些计算结果可以用于指导MoTe2光电器件的设计。
光电器件 光电效应 第一性原理 能带结构 空位缺陷 2HMoTe2 2HMoTe2 optoelectronic device photogalvanic effect firstprinciple band structure vacancy defect
南京邮电大学 电子与光学工程学院、微电子学院， 南京 210023
传统的硅压阻式压力传感器存在易受温度影响、断裂韧性较差以及传感节点有限等缺点，因此设计了一种悬浮型阵列结构的石墨烯压力传感器。首先分析了该传感器的结构与原理，然后研究了应变对石墨烯能带结构的影响。最后，建立了顶板-支柱结构的压强放大模型和挠度放大模型。理论与仿真结果表明，压强的放大系数与半径比满足负指数关系，随着支柱底面半径的不断减小，放大系数趋于定值；在集中压力模型中，最大挠度与半径比近似满足线性关系，最大挠度与压强呈三分之一幂次关系。
悬浮型石墨烯 压力传感阵列 能带结构 放大模型 suspended graphene pressure sensor array band structure amplification model
1 1. 湖北工业大学 理学院, 武汉 430068
2 2. 湖北省能源光电器件与系统工程技术研究中心, 武汉 430068
3 3. 中国科学院 福建物质结构研究所 结构化学国家重点实验室, 福州 350002
二维单层MoSi2N4具有优异的载流子输运能力与出色的化学稳定性, 受到了广泛关注, 但其光电性质与外加平面应变间的内在关系尚未展开深入探讨。本研究采用平面波超软赝势方法探索了平面应变对二维单层MoSi2N4能带结构和光电性质的影响, 发现单层MoSi2N4为间接带隙半导体, 其价带顶由Mo4d轨道和部分N2p轨道杂化而成, 导带底则均由Mo4d轨道组成。在拉应变作用下, 单层MoSi2N4的带隙逐渐变窄且光生载流子的有效质量不断减小; 在压应变作用下, 其带隙逐渐变宽, 光生载流子的有效质量缓慢增大。值得注意的是, 当压应变ε=-2.8%时, 体系由间接带隙转变为直接带隙。单层MoSi2N4的光学吸收表现出明显的各向异性, 且在平面应变作用下光吸收带边发生了不同程度的移动, 有效地拓展了体系的光谱响应范围, 有利于提升光电特性。这可为进一步研究二维单层MoSi2N4在新型可调谐纳米光电器件领域的应用提供理论指导。
二维材料 平面应变 光电性质 第一性原理 能带结构 two-dimensional material plane strain photoelectric property first-principles band structure
1 中国石油大学(北京)理学院,北京 102249
2 中国政法大学法治信息管理学院,北京 102249
缺陷态光子晶体可以用于制作良好的谐振器、偏振器、滤光器等光学器件,具有重要的应用价值。本文发展了光子晶体缺陷态问题的PG有限元界面问题计算方法,有效地处理了各种不同组元体系、几何结构、界面形状、材料属性以及模态的光子晶体缺陷态问题。数值结果表明,二组元结构单点缺陷对带隙的影响较小,只是使局部范围内的波继续传播而产生一条缺陷带,多点缺陷使一些特定范围内的波可以传播而产生多条缺陷带,线缺陷产生的影响较大,可以使整个禁带消失。结合线缺陷与点缺陷,波导结构中的侧点缺陷可以有效地应用于光子晶体阻带内诱导窄通带或在波导的通带内诱导非常窄的阻带。三组元结构引入了不均匀介质、复杂介质形状以及不同几何结构的缺陷态。通过计算与分析发现Ω3区域的介质形状对结果影响比较有限,表面层越不光滑禁带越窄,n型缺陷态在TM模中的高频区域更容易产生禁带。对于TE模来说,n型与v型的缺陷态更容易产生禁带。
光子晶体 缺陷态 多组元 能带结构 PG有限元法 非贴体网格 photonic crystal defective state multi-component energy band structure Petrov-Galerkin finite element method non-body-fitted grid
沈阳建筑大学材料科学与工程学院，沈阳 110168
本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了不同浓度Nb掺杂ZnO的能带结构及性能，并对本征ZnO、Al掺杂ZnO(AZO)和Nb掺杂ZnO(NZO)的模拟结果进行对比分析。结果表明：(1)NZO和AZO的带隙值均低于本征ZnO的带隙值，掺杂浓度(原子数分数)同为6.25%的NZO的带隙值低于AZO的带隙值。随着Nb掺杂浓度增高，NZO的导带底明显降低，态密度峰值降低，且Nb-4d态电子占据了费米能级的主要量子态。(2)随着掺杂浓度的增加，NZO和AZO吸收峰和介电函数峰均降低，且向低能区移动，其中，NZO吸收峰向低能区移动更明显，且介电函数虚部分别在0.42 eV和34.29 eV出现新的峰，主要是价带中Nb-4d和Nb-5p电子能级跃迁所致。掺杂浓度同为6.25%的NZO的静介电常数大于AZO的静介电常数，表明NZO极化能力更强，NZO可以更有效改善ZnO的光电性能。随着Nb掺杂浓度增加，NZO的吸收系数和介电函数虚部强度增加且向高能区移动。NZO的模拟结果为高价态元素Nb掺杂ZnO的实验研究工作及实际应用提供了理论参考。
第一性原理 能带结构 掺杂 Nb掺杂ZnO 态密度 光学性质 first-principle energy band structure doping Nb doped ZnO density of state optical property
