氮掺杂碳化硅纳米管电子场发射的第一性原理研究.pdfVIP

· 7l2 · 内蒙古师范大学学报 (自然科学汉文版) 第 43卷 小于 10。Ha时，认为体系达到基态稳定构型．在计算体系能量时 ，交换一关联 势选取 GGA下的PW91形 式 ，原子轨道展开采用 DNP基矢 ，截止半径选为 0．45nrn ．为了研究体系的场发射性能，沿 SiCNT管帽至 开 口端加载匀强 电场 ． 2 分析与讨论 2．1 形成 能 掺杂体系形成能 定义为 N原子直接取代本征 SiCNT中的 C原子或者 Si原子所需要的能量 ，其表达 式为 Ef… 一 (Ea 一Ef)【)一 (EN—Ex)， 其中：E 和 E ．分别为掺杂前后体系的总能量 ，E 和E 分别为 N原子与被替代原子 (C或 Si)的化学 势．计算获得 SimoreCNT和 SiC… NT的形成能分别为一0．05eV和一11．78eV，形成能为负值表明体系的掺 杂形成过程是一个放热过程 ，易于实现 N掺杂． 2．2 结合能 表 1 体系结合能 结合能反映了体系的稳定性 ，结合能越小 、体系就越稳 Tab．1 BindingEnergy ofthetheresystems 定．由表 l可 以看m ，当加入外加 电场 (E )后 ，SiCNT、 Si… CNT 与 SiCm。NT 的结合 能均降低 ，所 以稳 定性 增加． 2．3 态密度与赝能隙 图2给出各体系在E 一0eV／nm 及Ead(1===2．5eV／nm 下的态密度 (D()s)及局域态密度 (LDOS)．采用峰分离技术 确定的体系赝能隙见表 2． 表 2 各体系 E 处 的DOS及赝 能隙 Tab．2 PseudogapandDOSatEfunderdifferentsystem 由表 2可知 ，在 E 一2．5eV／nm 的作用下，SiCNT只增加 10 左右，显示出半导体特性 ，而 si CNT 与 SiC NT在费米能级 (E )处态密度分别增加 了近 70 和 1809／6．由图 2(a)～图 2(c)可以看出，在电场 的作用下，各体系的态密度均向低能端移动 ，反键态峰更加靠近 E ，电子 占据反键态峰的几率增加 ，赝能隙 减小 ，体系的共价性减弱 ，有利于电子的输运与传输，体系的金属性增强 ，且在相同E 下 ，SiC NT的赝能 隙略小 ，在 E 处态密度最大，因此场发射性能最优．如图 2(d)～图 2(g)所示，掺杂体系帽端及氮原子的局 域态密度在 E 处附近存在峰值 ，尤其在 E 的作用下 ，峰位更加靠近 Er，说 明帽端及氮原子对整体态密度 影响显著．南图2(h)可知 ，E 一2．5eV／nm 时，两种掺杂体系帽端的局域态密度在 E，附近出现峰值 ，说明 杂质态的引入增加了E 处的DOS，有利于改善其电子场发射性能．综上所述 ，SiCRloreNT具有最佳电子场发 射性能． 2．4 HOMO／IUMO分布及能隙 图3为E 一2．5eV／nm 时，三种体系的最高 占据分子轨道 (HOM())及最低未 占据分子轨道 (IUMO) 分布．由图 3可知 ，SiCNT与 H()M()／IUM()的分别位于开 口处与帽端，且 HOMO／IUMO均聚集在 Si原 子附近；与此不同，Si…CNT与 SiC…NT的H()MO／LUMO均分布于体系帽端．更详细的情况是 ，Si CNT与 SiC… NT的HOMO皆聚集在 N原子附近的 Si原子 、C原子以及 N原子上，但两者的 IUMO分 布不同，Si… CNT的 IUMO主要分布在帽端 的Si原子 ，且有少量分布在 C原子上 ，而 SiC… NT的LUM() 聚集在帽端 C—Si键及 si原子上，且与径向偏离程度更大，这也许是其电子场发射最优的原因_lgj． · 7l4 · 内蒙古师范大学学报 (自然科学汉文版) 第 43卷 0．65 0 表 3 三种体系幅端的Mulliken电荷分布 0．O6