尺寸、应变和电场对一维纳米结构能带的影响

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氧化锌(ZnO)纳米结构在维纳米光电材料中有广泛的应用前景。近些年来一直是科学研究的重要领域。作为微电子光电子纳器件结构单元的ZnO一维纳米结构,不管纳米线还是纳米管常常在压力环境下工作。因此,了解应变对氧化锌纳米线和纳米管能带的影响,很大程度上决定了纳米器件的使用性能。为了设计和优化基于氧化锌纳米线的纳米器件的微电子和光电子性能,了解应变对氧化锌能带调制的作用是很有必要的。众所周知应用应变调节能带宽度是一种有效和经济的手段。在本文的研究中我们用DFT的方法模拟了不同截面形状,不同此尺寸的氧化锌一维纳米线和纳米管,在应变改变的情况下其能带的结构,发现应变不但可以改变能带宽度,还能引发直接带隙到间接带隙的相变。   通常,外加电场可以改变半导体纳米材料的电子结构。例如:电场对Si纳米线和AIN纳米薄片的能带结构,胶状CdSe量子棒的电子和空位的基态都有明显的作用。应用电场调制纳米线的能带形状和宽度的研究尚为开展,了解外加电场对ZnO纳米线能带的调制,对于氧化锌纳米器件的广泛应用也有着和应力场同样重要的作用。添加电场是一种简单方便方法。我们用了DFT方法模拟了不同截面形状,不同此尺寸的氧化锌一维纳米线在电场改变的条件下其能带的变化规律。我们发现只有具有三角形截面的氧化锌纳米线对电场敏感。电场增加引起T结构的ZnO纳米线能带宽度减小,并伴随着直接带隙到间接带隙的相变。   半导体纳米线的能带是了解其电子结构和设计纳米器件的一个重要的物理参量。通常,由于量子效应,能带都是随着尺寸的减小而增加。目前关于纳米半导体材料尺寸依赖的能带的理论模型是基于bond—order-length—strength(BLOS)correlation理论建立的。表面是影响纳米材料性质的一个重要因素。当尺寸减小的时候,表面/体积比增大,表面的作用不能忽略,表面会引起纳米材料的各种性能变化。纳米结构其结合能的增加来自两个方面:表面配位数不全因其表面能量升高,表面原子的驰豫和重构引起的表面应变,会使纳米结构内部原子的弹性能增加。考虑到尺寸和表面的同时作用在我们建立了一个更简单的尺寸依赖的能带模型。
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