文献综述
刘海闻 914114740127
内容摘要
二维材料如石墨烯在2004年被成功合成，而其同族元素也相继成功合成出二维材料。然而目前已知二维硅材料表现出的主要为金属特性。而从摩尔定律可以发现当前半导体芯片集成化发展迅猛，且主要以硅为材料，为了与其有良好的相容性，类比石墨烯利用通过其他元素的掺杂来调控材料物性的思路，研究向二维硅材料中进行掺杂，其物性是否会表现出半导体特性，或能否调控掺杂的二维硅材料使之表现出半导体特性，从而能与以硅为主要材料的元器件相兼容匹配。目前的研究进展表明，掺杂可以改变硅烯的能带结构和导电类型，想要得到具有半导体性质的硅烯是有可能性的，但其具体方法还需要实践探讨。
关键词：二维硅材料 掺杂 能带结构 半导体
前言
摩尔定律的提出揭示了信息技术进步的速度，同时也预示了半导体芯片集成化的发展趋势，但这种发展所面对的问题则是半导体芯片材料的极限性能，而为了“拯救”摩尔定律，则出现了各种对新型半导体材料的探究。对目前向石墨烯以及硅烯材料进行掺杂的研究进展进行分析讨论，拟定了向二维硅材料掺杂氮元素调控物性并研究其是否会表现出半导体特性的课题，并通过类比目前的掺杂方法、掺杂状况建立模型并进行计算，以判断掺杂后硅烯所表现的物性。
- 文献综述及主要参考文献
石墨烯是一种二维(2D)的sp2杂化碳原子网络，被填充成六方结构，是所有其他维度的石墨材料的基本构建模块。由于石墨烯中的长程pi;共轭，产生了非凡的热学、机械及电学性质，使得人们一直致力于探索其在纳电子学、材料科学、凝聚态物理学和低维物理学中的许多应用。然而，大多数电子应用由于本征半导体材料中没有带隙受到阻碍。[1]可见，虽然石墨烯材料具有优异的性质但同时也存在限制其应用的致命缺陷，于是人们将目光放在了寻找与石墨烯具有相似特性的材料上。目前对于石墨烯而言，其为零带隙的半导体而不能直接应用，而第一性原理计算最优化结构、声子模式和有限温度的分子动力学模拟预测表明硅和锗拥有稳定的二维抵扣蜂窝状结构。 [2]另一方面，由于硅烯和石墨烯的结构相类似，硅烯在费米能附近也具有线性色散关系，相应的理论结果预测硅烯也具有非常高的载流子迁移率并且其值接近于石墨烯的载流子迁移率。此外，硅烯具有能够与现有的硅基技术相兼容的额外优势。[3]将硅烯纳米材料应用于电子器件中对材料的裁剪及确定其电学特性就显得尤为重要，这些无不表明二维硅材料有着与石墨烯相似的稳定结构，但同时，其与石墨烯不同的是，其两套三角格子不在同一平面内(即low-buckled六角蜂窝状结构),边缘化学修饰对其几何结构并无太大的影响,受应力作用边缘的结构发生微小变化。若对其能带结构图、态密度图和电荷密度图进行分析,其结果表明边缘修饰以后的锯齿形硅烯纳米带存在局域边缘态(Localized edge states),并且发现自旋极化方向相反即反铁磁时费米(Fermi)能级附近的能带打开,出现能隙。[4]表明了因其硅烯自身与石墨烯的差异，导致想要得到具有半导体性质的硅烯是有可能性的，因此人们选择了对硅烯材料进行研究，尝试不同方式进行对硅烯物性的调控使其表现出期望的半导体特性。
在选定了研究对象后，便需要确定研究方法。在调控石墨烯物性时，采用过对石墨烯进行掺杂的调控方式。由于原始石墨烯具有完美的蜂窝结构，很难将杂质原子引入到石墨烯中并控制石墨烯的电学性能，所以采用了对石墨烯材料进行离子辐照而后退火以引入杂质的手段。使用拉曼光谱研究在不同能量的N 辐照下石墨烯微观结构的演变表明，辐照后平面中被引入缺陷，然后在N2或NH3退火后恢复。辐照后在NH3中退火的石墨烯的俄歇电子能谱(AES)显示出N信号，然而在N2中退火后则并没有观察到N信号。最后，使用N掺杂的石墨烯制造场效应晶体管(FET)并绘制源-漏电导和背栅电压(Gsd-Vg)曲线。与以本征石墨烯制作的场效应管相比，传输特性发生了变化，即狄拉克点位置从正Vg移动到了负Vg，说明在NH3中退火后石墨烯从P型转变为N型。[1]从实验结果可以明了的看出在NH3中退火后石墨烯被引入了杂质N原子，同时石墨烯的物性也被成功调控。而还有实验表明杂质的存在使得扶手椅型石墨烯纳米带的能隙增大,并在能隙中出现了一条局域的杂质态能带,杂质的位置也影响其能带结构.另外,杂质的存在还引起输运过程中的电子共振散射,其特点与掺杂种类、掺杂位置和结构对称性有关。[5]掺杂原子种类、掺杂位置的不同将对电子输运产生极大的影响。当中间散射区域的中心C原子被B杂质原子代替时,在电子输运谱的费米能级以下会出现一个零透射的波谷,而另一侧则不变;当带中心杂质为N原子时情况正好相反。零透射波谷的出现意味着有带隙产生,即发生了从金属到半导体的转变。[6]利用origin绘制纯净石墨烯和掺杂石墨烯的态密度图，从图中非常直观的显示了掺杂石墨烯的费米能级处于态密度为零的区域。[7]但是，虽然成功调控了石墨烯的物性，却也出现了虽然可以通过化学掺杂、化学吸附或引入空位缺陷等方式让石墨烯具有微小带隙,但带隙的大小难以调控的问题，如镓/石墨烯是唯一一个体现金属性质的单原子掺杂体系。而吸附掺杂共同作用在能隙扩大的讨论上都不是很理想。[8]那么将目光放到寻找到的新材料硅烯上，硅烯是二维材料中一个非常有研究意义的研究体系,不仅因为它本身具有的独特电子性质,而且能够通过吸附、掺杂等原子层面的修饰手段对其电子结构进行设计和改性。[9]对于硅烯而言，若采用掺杂以调控物性的手段又是否可行？从研究硅烯氧化物的几何结构、电子性能发现：“所有的硅烯氧化物在热力学上都容易形成,并且不会分解。部分氧化的硅烯中硅的价态都是 1, 2或 3价,完全氧化硅烯中硅的价态为 4价。不同氧的成键类型导致硅烯的蜂窝状二维单原子层结构得以保存、扭曲、或者消失。”硅烯本来是一种半金属,而硅烯氧化物的电子结构取决于O及OH的成键方式而表现为金属、半金属、半导体或绝缘体。这些结果表明,氧化能够极大地丰富硅烯的电子性能。但呈半导体性的硅烯氧化物中电子和空穴的有效质量增加,载流子迁移率有所下降。[10]可见硅烯本身虽然并不具有半导体特性，但其氧化物却可表现出半导体特性，那么便可提出将杂质原子引入硅烯材料，与硅烯形成氧化物的掺杂思路。而又如基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了硅烯饱和吸附碱金属元素原子的稳定性、微观几何结构和电子性质,并与纯硅烯及其饱和氢化结构进行了对比分析.研究发现复合物Si X(X=Li,Na,K,Rb)的形成能都是负的,相对于纯硅烯来说可以稳定存在.Bader电荷分析表明,电荷从碱金属原子转移至硅原子.从成键方式来看,硅烯与氢原子形成共价键,而与碱金属原子之间形成的键主要是离子性成键,但还存在部分共价关联成分.能带计算表明,锂原子饱和吸附在硅烯形成的复合物Si Li是直接带隙的半导体,带隙大小为0.34e V.其他碱金属饱和吸附在硅烯上形成的复合物都表现为金属性。[11]可以看出除了形成硅烯氧化物的方式之外，还可以利用碱金属元素对硅烯进行掺杂，但碱金属掺杂方式有着明显的限制。以上可以基本得出与石墨烯相同，对硅烯进行掺杂以调控其物性的思路有可行性。此外，通过实践得知，通过掺杂的确可以改变硅烯的能带结构和导电类型,例如B、Al掺杂硅烯为P型掺杂,P掺杂硅烯为N型掺杂,C掺杂硅烯使得硅烯的由0e V带隙变为了0.028eV。从吸收光谱中可以得到轻原子(B、C、Al、P)掺杂降低了硅烯对所有光的吸收。双层硅烯的带隙为0.372eV的间接带隙半导体材料,对光的吸收强度大单层硅烯。[12]这证实了对二维硅进行掺杂确实可以改变其带隙。这是对硅烯进行掺杂以调控物性这一思路的有力支持。类比石墨烯的掺杂方法与特点，对于硅烯的掺杂方法与思路还可提出很多实践方向，如由于简单表面转移掺杂和替位掺杂方法都使石墨烯掺杂后裸露在外界环境中,很容易受外界吸附物的影响,造成掺杂效果的退化,氮化硅钝化层和金属接触在石墨烯掺杂方面有独特优势。[13]
以上是毕业论文文献综述，课题毕业论文、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
