Инженерия запрещенной зоны
Инженерия запрещенной зоны — это процесс контроля или изменения запрещенной зоны материала. Обычно это делается с полупроводниками путем контроля состава сплавов, создания слоистых материалов с чередующимся составом или путем создания эпитаксиальной или топологической деформации. Запрещённая зона — это область в твёрдом теле, где не может существовать ни одно электронное состояние. Ширина запрещенной зоны у изоляторов значительно больше, чем у полупроводников. Проводники или металлы имеют гораздо меньшую или вообще отсутствующую запрещенную зону, чем полупроводники, поскольку валентная зона и зона проводимости перекрываются. Управление шириной запрещенной зоны позволяет создать желаемые электрические свойства.
Молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ)
[ редактировать ]Молекулярно-лучевая эпитаксия — это метод, используемый для создания тонких эпитаксиальных пленок из материалов, от оксидов до полупроводников и металлов. Различные пучки атомов и молекул в среде сверхвысокого вакуума направляются на почти атомарно чистый кристалл, создавая эффект наслаивания. Это разновидность тонкопленочного осаждения . Полупроводники являются наиболее часто используемым материалом из-за их использования в электронике. С помощью MBE возможны такие технологии, как устройства с квантовыми ямами, сверхрешетки и лазеры. Эпитаксиальные пленки полезны благодаря их способности производиться с электрическими свойствами, отличными от свойств подложки, либо с более высокой чистотой, либо с меньшим количеством дефектов, либо с другой концентрацией электрически активных примесей по желанию. [1] Изменение состава материала изменяет ширину запрещенной зоны из-за связывания разных атомов с разной шириной запрещенной зоны.
Разработка запрещенной зоны, вызванной деформацией
[ редактировать ]Полупроводниковые материалы можно изменять, вызывая деформацию из-за регулируемых размеров и форм из-за эффектов квантового ограничения . Более широкий диапазон перестраиваемой запрещенной зоны возможен из-за высокого предела упругости полупроводниковых наноструктур (Гуэрра, [2] и Гуэрра и Везенов [3] ). Деформация — это отношение удлинения к исходной длине, и ее можно использовать в наномасштабе. [4] [5]
Тулин и Герра (2008) [6] теоретически количественно определили метод создания деформации, который они использовали для проектирования свойств материала анатаза титана. Они изучили его электронную зонную структуру в диапазоне двухосной деформации, используя как теорию функционала плотности в приближении обобщенного градиента (GGA), так и расчеты теории квазичастиц в приближении GW. Они обнаружили, что модифицированный деформацией материал пригоден для использования в качестве высокоэффективного фотоанода в фотоэлектрохимической ячейке. Они отслеживали изменения ширины запрещенной зоны и эффективных масс носителей заряда в зависимости от полного давления, связанного с напряженной решеткой. И GGA, и GW-приближение предсказывают линейную зависимость между изменением ширины запрещенной зоны и общим давлением, но они обнаружили, что GGA занижает наклон более чем на 57% по сравнению с результатом GW-аппроксимации, равным 0,0685 эВ/ГПа.
Нанопроволоки ZnO
[ редактировать ]ZnO Нанопроволоки используются в наногенераторах, полевых транзисторах на основе нанопроволоки , пьезоэлектрических диодах и химических сенсорах. Было проведено несколько исследований влияния деформации на различные физические свойства. Нанопровода ZnO, легированные Sb, испытывают изменение сопротивления при воздействии деформации. Деформация изгиба может вызвать увеличение электропроводности. Деформация также может вызывать изменение транспортных свойств и изменение ширины запрещенной зоны. Путем корреляции этих двух эффектов в ходе экспериментов можно получить изменение транспортных свойств в зависимости от ширины запрещенной зоны. Электрические измерения проводятся с использованием сканирующий туннельный микроскоп-просвечивающий электронный микроскоп . зондовой системы [4]
Инженерия энергетической запрещенной зоны графеновых нанолент
[ редактировать ]Когда литографически созданные графеновые ленты удерживают заряд по бокам, это создает энергетическую щель вблизи точки нейтрального заряда. Чем уже ленты, тем больше открываются энергетические щели, что зависит от проводимости, зависящей от температуры . Узкая лента рассматривается как квазиодномерная система, в которой ожидается открытие запрещенной зоны. Отдельные листы графена механически извлекаются из объемных кристаллов графита на кремниевую подложку и контактируют с металлическими электродами Cr/Au. Водородный силсесквиоксан наносится на образцы для формирования маски травления, а затем используется кислородная плазма для травления незащищенного графена. [7]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Артур, Джон Р. (2002). «Молекулярно-лучевая эпитаксия». Поверхностная наука . 500 (1–3). Эльзевир Б.В.: 189–217. Бибкод : 2002SurSc.500..189A . дои : 10.1016/s0039-6028(01)01525-4 . ISSN 0039-6028 .
- ^ Патент США. № 7,485,799, «Полупроводниковая фотоэлектролитическая/фотокаталитическая/фотоэлектрическая поверхность со смещенной под напряжением запрещенной зоной и способ ее изготовления», Джон М. Герра, дата приоритета 7 мая 2002 г. Перешел к Nanoptek Corporation.
- ^ Контракт НАСА № NAS2-03114 с корпорацией Nanoptek, «Фотокатализатор из титана со сдвигом запрещенной зоны под напряжением для производства водорода», Дж. Герра и Д. Везенов, 2002.
- ^ Перейти обратно: а б Шао, Жуй-вэнь; Чжэн, Кун; Вэй, Бин; Чжан, Юэ-фэй; Ли, Ю-цзе; и др. (2014). «Инженерия запрещенной зоны и управление электронными и оптическими свойствами нанопроволок ZnO путем одноосной деформации». Наномасштаб . 6 (9). Королевское химическое общество (RSC): 4936–4941. Бибкод : 2014Nanos...6.4936S . дои : 10.1039/c4nr00059e . ISSN 2040-3364 . ПМИД 24676099 .
- ^ «Стресс и напряжение». PhysicsNetcouk RSS. По состоянию на 4 декабря 2014 г. http://physicalnet.co.uk/a-level-physical-as-a2/materials/stress-strain/ .
- ^ Тулин, Лукас; Герра, Джон (14 мая 2008 г.). «Расчеты зонных структур деформированного анатаза TiO 2 » . Физический обзор B . 77 (19): 195112. Бибкод : 2008PhRvB..77s5112T . дои : 10.1103/PhysRevB.77.195112 . ISSN 1098-0121 .
- ^ Хан, Мелинда Ю.; Озилмаз, Барбарос; Чжан, Юаньбо; Ким, Филип (16 мая 2007 г.). «Инженерия энергетической запрещенной зоны графеновых нанолент». Письма о физических отзывах . 98 (20): 206805. arXiv : cond-mat/0702511 . Бибкод : 2007PhRvL..98t6805H . doi : 10.1103/physrevlett.98.206805 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 17677729 . S2CID 6309177 .