Ⅱ-Ⅵ族低维半导体可测物理量的相互关联及其尺寸效应.doc

摘 要 当尺寸降低到纳米尺度量级时，量子和界面效应占主导地位，因此材料会出 现许多新颖的性质。为了探究低维尺寸下材料演化的规律，利用微观的第一性原 理和分子动力学与宏观的连续介质力学结合可对尺寸效应进行研究，而它们是从 不同的角度建立、没有共同的物理机制。对大量实验数据分析指出，低维材料的 物理性质比如带宽、弹性、拉曼及熔点随尺寸变化的速率成固定的比例关系，这 说明了各物理性质之间存在一定的相互关联性。大量理论分析表明低维材料的尺 寸效应有共同的起源。低维材料不同于孤立原子之处是在于它有原子之间的键的 作用，而与块体材料相比它表面有占整体较大比例的低配位原子。故而研究低维 材料的切入点应是大量低配位表面原子间不同于宏观和微观的相互作用。本论文 以 II-VI 族低维半导体材料为例，探讨了 II-VI 族半导体中几种典型材料禁带宽 度、弹性模量、拉曼光谱及熔点的尺寸效应。具体工作和结论概括如下： 1. 从基本的原子蒸发过程模型出发重新定义结合能，并结合键弛豫理论分 析低维硫化镉半导体材料熔点的尺寸效应。同时，利用键弛豫理论建立低维硫化 镉和硫化锌材料带宽随尺寸变化的表达式并将其与熔点尺寸效应的公式比较。从 而揭示出，正是两者的尺寸效应有相同的起源并且都随比表面积的变化而变化， 所以低维材料的熔点和禁带宽度变化之间才会有线性的关系。并得到如下结论： 在材料表面的低配位原子处，键将发生自发的弛豫使其变短变强；而由于配位数 的降低使低维材料的结合能减小，这最终导致了低维材料的熔点的降低；材料的 禁带宽度正比于单键能；随材料尺寸的减小，其禁带宽度变大，原因在于表面键 自发弛豫引起的键强的增加；两种物理量的尺寸效应都起源于表面键的弛豫。 2. 通过对拉曼光谱的形成过程分析，揭示出了材料在低维尺寸下两种拉曼 光谱随尺寸变化不同规律的物理机理并探究了主导它们变化的主要因素，从而分 析出了导致他们变化规律可以用同一模型但其变化趋势却不同的原因。 3.基于杨氏模量与体模量的定义推导出：材料杨氏模量与其能量密度成正 比。以此为依据建立了低维材料杨氏模量与其尺寸的变化关系。对低维半导体材 料硫化锌的成功模拟证实了：低维材料尺寸效应的趋势是唯一的即随尺寸减小而 增加，而且低维材料杨氏模量尺寸效应的起源亦是表面的低配位原子，主导其尺 寸效应变化趋势的是其比表面积。 理论分析与实验数据的吻合说明，键弛豫理论通过建立宏观可测物理量与微 观键之间的联系为可测物理量尺寸效应研究提供了有效的途径。 关键词：低维材料；可测物理量；尺寸效应；键弛豫理论 I Abstract With structural miniaturization down to the scale that is between the 1nm and 100nm, the effect of quantum and interface predominate and the materials will expose many new properties. The principle of molecular dynamics and first principles are generally used to study these uncommon properties but they are based on deferent mechanisms. The rate of the change of the detectable physical quantities is usually a constant, this indicts that it seems that there are paradoxical rules governing the changes of the detectable physical quantities. For the low dimensional material, there is a large ratio of under coordination atoms, the study of them should focuses on the correlation of the under coordination atoms. For a group of II-VI semiconductor materials example, this thesis will identify the size dependence of the band gap, thermal stability, Raman modes and elasticity and thermal stability of low dimensi