局部应变对低维半导体材料的性质调制论文

⑧浙江大学博十学位论文第一章绪论纳米是一种长度度量单位，即米的十亿分之一。

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（１一１００ｍ）或者由它们作为基本单元构成的材料。

广义地说，纳米材料是泛指含有纳米微粒或纳米结构的材料。

１．１．１纳米材料的诞生及其发展早在】８世纪６０年代，随着胶体化学的建立，科学家们就开始了对纳米微粒体系（胶体）的研究。

到２０世纪５０年代末，著名物理学家，诺贝尔奖获得者理查德·费曼首先提出了纳米技术基本概念的设想。

他在１９５９年１２月美国加州理工学院的美国物理年会上做了一个富有远畿鬈０意黑２＝：盏：篙翼盎：见性的报告，并做出了美妙的设想：如果有一天可以按人的意志安排一个个原子，那将会产生怎样的奇迹？理查德·费曼先生被称为“纳米科技的预言人”。

随后，１９７７年美国麻省理工学院的学者认为上述设想可以从模拟活细胞中生物分子的研究开始，并定义为纳米技术（ｎａｎｏｔｃｃｈｎｏｌｏｇｙ）。

１９８２年Ｂｉｎｉｎｉｎｇ和Ｒｏｈｒｅｒ研制成功了扫描隧道显微镜（ｓ１Ｍ），从而为在纳米尺度上对表面进行改性和排布原子提供了观察工具。

１９９０年美国ＩＢＭ公司两位科学家在绝对温度４Ｋ的超真空环境中用ｓＴＭ将Ｎｉ（１１０）表面吸附的ｘｅ原子在针尖电场作用下逐一搬迁，⑧浙江大学博士学位论文电子既具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。

近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。

量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。

例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在Ｏ．２５ｕｍ。

目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。

低维材料的掺杂与调控研究在纳米科技高速发展的时代，低维材料的研究成为了众多研究人员的关注重点。

低维材料是指具有至少一个维度小于100纳米的材料，由于其特殊的物理化学性质，如大比表面积、体积效应、量子限制效应、量子大小效应等，因此受到了极大的关注和研究。

现在的研究重点是如何掺杂和调控低维材料，从而改变其特性，满足特定应用需求。

一、低维材料的分类低维材料主要包括二维材料和一维材料两大类。

二维材料是指厚度仅为几个原子层的材料，包括石墨烯、过渡族金属二硫化物(TMDs)、硒化硒等。

其中石墨烯是最为熟知的二维材料，由于其高电导率、高热导率、优异的力学性能、高透明性和阻挡特性，被广泛应用于半导体器件、电极、传感器等领域。

一维材料是指在三维空间中只有一个维度的材料，比如纳米线、纳米棒、碳纳米管等。

由于这些材料具有的优异的光、电、热学性质和特殊的形貌结构，被广泛应用于电池、传感器、荧光探针等领域。

二、低维材料的掺杂低维材料的特殊性质使得其广泛应用于半导体、电子学、光学和生物领域。

但是，难以满足实际应用需求，如改善低维材料的导电性、光电性、力学等性能。

因此，掺杂技术成为了改善低维材料性能的主要方法之一。

掺杂作为一种有效的改善材料性能的方法，已经被成功应用于传统的三维材料中。

在低维材料中，掺杂可以通过不同的途径实现：原位合成、后处理方法、离子注入、接触法等。

目前大多数二维材料都可以进行掺杂，包括石墨烯、TMDs、磷化碳、六方氮化硼等。

不同的掺杂方法可以控制其具体的物理化学性质。

在掺杂中，国内外的研究人员主要围绕以下方面进行了研究：(1) 控制掺杂浓度；(2) 选择最佳的掺杂元素；(3) 研究掺杂效应。

例如，Wenjie Ding等人采用离子注入技术将硒化硒(SnSe)单晶薄片掺杂氮、碳等元素，研究表明，掺杂后的SnSe单晶薄片光伏效率提高了70%。

彭国兵等人采用微电子加工技术，在石墨烯薄膜表面制备了大面积的金属掺杂，研究发现，掺杂后的石墨烯薄膜电导率提高了两个数量级。

低维半导体材料的制备与性能研究低维半导体材料近年来备受关注，因其独特的物理特性和潜在的应用价值。

低维材料是指晶体结构在一维或二维上被限制的材料，其相比三维材料具有更多的量子效应，如量子阱效应、量子点效应、量子线效应等。

因此，低维材料具有许多特殊性质，例如它们的能级会因玻尔兹曼运动而拆分，使得在常温下就能观察到明显的光学和电学效应。

近年来，石墨烯、二硫化钼和其他2D材料已经引起了极大的关注，但作为一种新兴的低维材料，新型的1D和0D半导体材料也在过去的数十年中得到了广泛的研究。

这些半导体材料具有非常有趣的电学、光学和磁学性质。

例如，在低维半导体材料中可以出现像表面态或内部态等嵌入态，这些态会对光学和电学性能产生重要的影响。

此外，低维半导体材料还被广泛用于电子器件的制造和集成。

因此，低维半导体材料的制备和性能研究已成为一个热门领域。

1D半导体材料主要指的是量子线，它是一种表面宽度很窄一维结构，在几个纳米以下的尺度上成形。

量子线通常使用外延生长、MBE水平生长或分子束外延（MBE）等方法制备。

其中，外延生长是一种相对简单且容易实现的方法。

首先，需要在衬底上生长一层有指向性的电子束或激光束蒸发的材料，然后再使用VLS（溶液润湿杆）或者CMC（金属有机化合物化学气相沉积）进行生长。

在制备量子线方面，VLS被广泛应用。

在这一过程中，通过在晶芯中用微小的金颗粒作为催化剂，将半导体材料吸收，然后通过相互竞争的扩散过程形成细长的线。

MBE是另一种制备量子线的方法。

在这一方法中，半导体材料使用分子束蒸发技术，通过原子分子或离子束在真空条件下，沉积在衬底上形成线状结构。

随着制备技术的不断发展，量子线的性能也得到了不断的提高。

例如，通过制备单壁碳纳米管，人们可以在低温下制备出宽度仅数原子的量子线。

利用这些单壁碳纳米管，人们已经成功开发出了多功能的器件，如光学开关、晶体管和电子学退火器。

0D半导体材料主要指的是量子点，它是一种三维小箱子，尺寸通常在几纳米至数十纳米之间，可以用于存储能量或在半导体器件中进行光学调制。

低维半导体材料的制备及其应用半导体材料是现代电子工业的基础，通过对半导体材料的处理和加工，制造出电子器件和集成电路。

而低维半导体材料，指的是指材料的某一或多个维度尺寸小于100纳米的半导体材料。

它具有优越的光、电、磁、力学等性质，具有广泛的应用前景。

本文将着重探讨低维半导体材料的制备及其应用。

一、低维半导体材料的制备制备低维半导体材料需要克服材料尺寸、晶格错位，以及纠缠的情况所带来的限制，需要使用先进的技术，包括：量子点制备、纳米线沉积、能带工程、控制生长和自组装等技术。

1. 量子点制备：量子点是指在一维、二维或三维空间中，半导体材料结晶后，缺陷上的原子具有特定分布。

它具有离散的能级，由于材料尺寸小，所以其能带结构出现了“量子限制效应”，可以合成离散的能带，并表现出优越的光学和电学特性。

量子点制备包括溶液生长法、分子束外延法等。

2. 纳米线沉积：纳米线是指直径范围在1~100纳米之间的细长的半导体构造。

纳米线的表面积和体积比传统半导体器件大很多，因此可以增加器件反应表面积，从而提高了光电转化效率。

纳米线沉积包括原位光生长法、气相化学气相沉积法等。

3. 能带工程：能带工程是指通过控制材料的晶格结构，改变其能带结构，以实现特定的电学和光学特性。

利用能带工程还可以改善现有半导体材料的性能和特性。

能带工程包括异质结构、量子阱等制备技术。

4. 自组装：自组装是指利用分子生成的吸附力、电荷、氢结以及磁性作用等分子间相互作用力，实现分子无序自组装为有序结构的过程。

自组装技术对低维半导体材料的制备尤为关键，可以实现纳米粒子、纳米线、纳米带等高质量的大面积制备。

二、低维半导体材料的应用低维半导体材料具有许多优越的性能特点，可应用于太阳能电池、发光二极管、激光器、光电探测器、量子计算器和生物传感器等领域。

1. 太阳能电池：低维半导体材料也被应用于太阳能电池等环保领域。

由于低维材料具有大表面积、高透光率、高光电转化效率、长寿命等特点，因此在太阳能电池、气敏元件等方面具有广泛的应用前景。

低维半导体材料的制备及其性质研究一、引言半导体材料是一类常见的电子材料，在现代电子技术和信息技术领域广泛使用。

在这一领域，低维半导体材料具有广阔的应用前景。

低维半导体材料是指在两个或三个维度上具有特殊性质的半导体材料，如二维（2D）材料和纳米线等。

本文将从低维半导体材料的制备方法、其物理和化学特性、及其在电子学和光学等领域的应用等方面进行深入探讨。

二、低维半导体材料的制备方法低维半导体材料的制备方法总结起来主要有以下几种：1. 手动剥离法手动剥离法是将单层的低维半导体材料从高质量晶体中用机械剥离的方法获取。

这种方法需要具有高质量单晶材料、宽带隙和可裂性等特殊性质。

2. 化学气相沉积法化学气相沉积法可以通过将低维半导体材料的前体化合物转化为气体形式，然后在衬底上沉积固体材料来制备低维半导体材料。

这种方法可以控制低维半导体材料的厚度、晶体质量和晶格取向等参数。

3. 海绵法海绵法是一种通过电势屏蔽、光化学反应或热化学反应等方法，将低维半导体材料以薄层的形式沉积在未处理衬底上的方法。

这种方法具有制备过程简单、成本低、适用于大面积制备等特点。

4. 真空热蒸发法真空热蒸发法是通过将低维半导体材料的前体材料在真空蒸发的条件下，冷凝在末端衬底的表面上，从而制备薄膜。

这种方法通常需要高真空环境、高温度和长时间的加热等条件。

三、低维半导体材料的物理和化学特性1. 电学性质低维半导体材料具有优异的电学性能，如高载流子迁移率、高电感、低噪音、高速度、低功率等。

这些优异的性能使得低维半导体材料在晶体管、传感器、以及超大规模集成电路等领域具有潜在的应用前景。

2. 光学性质低维半导体材料在光学领域具有独特的性质，如高光电响应、高塞贝克系数、高量子效率等。

这些性能使低维半导体材料成为具有活性的光学元件的理想选择。

3. 热学性质低维半导体材料具有良好的热学稳定性，通常具有高热导率、低热膨胀系数和优良的热稳定性能。

这使得低维半导体材料通常用于高功率电子设备的散热材料或高温电子元件。

低维半导体材料的能带调控与器件设计近年来，随着纳米科技的快速发展，低维半导体材料成为了新一代电子器件的热门研究领域。

低维半导体材料的能带调控与器件设计具有重要意义，本文将对这些问题进行深入探讨。

一、低维半导体材料的能带调控低维半导体材料通常包括二维材料和一维材料两种形式。

对于二维材料如石墨烯来说，能带调控是实现其在电子器件中应用的关键。

通过外加电场、应变等手段，可以改变石墨烯的能带结构，进而调控其导电性能。

而对于一维材料如纳米线来说，其能带调控往往涉及到表面态的调控和界面工程等方面。

通过调控纳米线表面态的能带结构，可以实现对其电子传输性能的精确控制。

二、低维半导体材料器件的设计原则低维半导体材料的器件设计需要遵循一定的原则，以确保其性能优越。

首先是材料的选择，需要选择合适的低维半导体材料，并考虑其能带结构和其他物理特性。

其次是界面工程，通过在器件中引入适量的界面层，可以调控电荷传输和电子结构，提高器件的效率和稳定性。

再次是优化电子输运路径，合理设计器件结构，降低电子在材料中的散射，并提高器件的导电性能。

最后是界面/材料的调控和修饰，通过在器件中引入适当的界面修饰层，可以进一步调控材料的能带结构和表面态，实现更精确的器件控制。

三、低维半导体材料的应用低维半导体材料的研究与应用前景广阔。

在光电领域，由于低维半导体材料具有特殊的能带结构和表面态，可以实现光电器件的高效率转换，如太阳能电池、光电二极管等。

在电子器件领域，低维半导体材料的高载流子迁移率和低噪声特性使其成为理想的通电材料，可用于高频放大器、集成电路等。

此外，低维半导体材料还可以应用于催化剂、传感器、量子计算等领域，展示出了巨大的潜力和前景。

综上所述，低维半导体材料的能带调控与器件设计是当前研究的热点问题。

通过调控低维半导体材料的能带结构，可以实现对其导电性能和光电性能的精确控制。

在器件设计中，需要遵循一定的设计原则，优化材料选择、界面工程、电子输运路径和界面修饰等方面，以提高器件的性能和稳定性。

低维材料的物理性质研究及应用随着科学技术的不断发展，人类对各种新材料的研究也在不断深入。

一个新兴的材料研究领域，便是低维材料的物理性质研究及其应用。

所谓低维材料，指的就是某些材料中的一维、二维或三维晶格结构的局部区域被挑选出来，单独拿出来研究。

下面我们将探究低维材料的物理性质研究及其应用，为人们更好地了解这个新兴领域提供参考。

一、低维材料的基础物理性质低维材料的最基础物理性质是其几何形态和电子结构的变化。

低维材料相比于三维材料，体现出了不同的电学和电磁学特性。

例如，三维材料中的电子呈现出成带状的分布，而二维材料中的电子则更类似于出现了电子气，出现了更为复杂的行为。

究其原因，低维材料中的电子只能在有限的空间范围内运动，其束缚作用更强，因此出现了独特的物理性质。

二、低维材料的特殊物理性质低维材料的特殊物理性质得到了广泛的研究。

其中最重要的表现在以下三方面：1、量子尺度效应低维材料的电子具有量子尺度的行为，对外界的微小变化更加敏感。

通过设计给它们施加一定量的压力、磁场和外电场等条件，就可以调整这个体系的电学和光学性质。

2、电子输运低维材料的电子输运过程中具有多种独特的行为，如在强耦合体系中的电子-光子共振和电子-声子共振，电子在材料中输运所表现的特殊行为，也为人类相关应用的设计提供了极大的可能性。

3、量子磁化效应在磁场的存在下，原子和电子的自旋很容易变得同步，形成量子磁化效应。

量子磁化效应在低维材料中表现得更为显著，这引发了人类对该现象的深入研究。

三、低维材料的应用前景低维材料的研究虽然还处于初级阶段，但已经在很多领域受到了广泛的关注和应用，包括电子器件和能源存储领域。

以下我们将重点探究以下两个应用领域：1、能源领域随着全球对清洁能源的需求不断增加，能源储存器件的需求也越来越大。

低维材料在能源储存器件领域的应用有很大的潜力。

例如，针对锂离子电池，通过使用低维材料作为负极材料，锂离子的导电性能得到了极大的提升。

低维半导体材料及其应用研究近年来，低维半导体材料成为了材料科学领域里备受瞩目的研究方向。

低维半导体材料是一种在三个空间维度中至少有一维度受到了限制的材料，这种限制一般是在一维或两维中实现的。

低维半导体材料的种类较多，如二维材料中的石墨烯、硒化铜，一维半导体纳米线等。

由于这些材料本质的特性以及受到限制的量子效应，低维半导体材料在电子学、光学以及能量转换等领域中有着广泛的应用前景。

一、低维半导体材料的性质提到低维半导体材料，就不得不提它与高维半导体材料的区别。

高维半导体材料是指在三个空间维度都可以自由发展的材料，比如硅、锗等。

而低维半导体材料只有一维或两维可以自由发展。

由于受到维度限制，低维半导体材料的物理、电学以及光学性质都与高维半导体材料有所不同。

在低维半导体材料中，二维材料中的石墨烯是最为典型的一个例子。

石墨烯由单层碳原子构成，由于其呈现出的特殊的异形结构，使得石墨烯拥有了很多高峰值的声子光谱，其热导率也比其他材料高，是理论研究和实际应用的重要材料之一。

在一维半导体材料中，纳米线是常见的例子。

纳米线中电子运动受到限制，仅在一维中自由发展。

这导致了纳米线的电学性质与高维半导体材料有所不同。

同时，由于受到量子限制，纳米线中电子的能量级也发生了一些改变。

除此之外，低维半导体材料还拥有一些独特的性质，如拓扑绝缘态、量子隧穿效应、多项式波、约束及自旋电子运动等，这些性质均可以为低维半导体材料在电子学、光学以及能量转换等领域中的应用提供新的思路和方法。

二、低维半导体材料在电子学中的应用低维半导体材料在电子学中的应用通常表现在电子器件上。

石墨烯、二硫化钼等二维材料被广泛应用在场效应晶体管（FETs）中，并在电子传输方面取得显著进展。

由于石墨烯在光电领域中的优异性质，还有在集成电路、生物传感器及显示器等领域的应用。

在一维半导体材料中，纳米线被广泛应用在电子器件中，比如在纳米晶、激光二极管、场致发光器件以及传感器等领域中。

低维半导体材料的生长与性能研究随着科技的不断发展和人们对于节能环保理念的日益强烈意识，对于新型半导体材料的研究也变得越来越重要。

低维半导体材料作为其中的一种新型半导体材料，备受关注。

一、低维半导体材料概述低维半导体材料是指一种宽带隙半导体材料，它在磊晶生长过程中的一个或多个尺度被限制在纳米级别。

这种材料呈现出非常特殊的光电性能，主要表现在：具有高载流子流动率、较小的载流子有效质量、超高自由载流子寿命以及较高的量子效率等方面。

由于低维半导体材料具有优异的性能，一些研究机构将其定义为“下一代新型半导体材料”。

二、低维半导体材料的生长低维半导体材料的生长是指将低维半导体材料从气体相、液相或固相转化成晶体的过程。

通常采用的生长方法有气相外延、液相外延、分子束外延以及溅射等方法。

其中气相外延是最常采用的低维半导体材料生长方法之一。

该方法通过控制气相物种与衬底表面反应，使半导体材料在衬底表面上生长而成。

气相外延还有一些衍生的方法，如金属有机气相外延、分子束流外延等。

液相外延是利用熔融合金与触晶棒之间相互扩散的方式，在触晶棒表面上生长低维半导体材料。

该方法相对于气相外延具有比较高的可生长面积和所需的设备成本低等优点。

溅射生长是通过离子轰击的方式，将靶材上的原子或离子释放到衬底表面上生成原子薄膜的生长方法。

此方法也是可生长面积较大、设备成本相对较低的方法，因此在低维晶体材料的生长中也得到广泛应用。

三、低维半导体材料的研究1. 光电性能低维半导体材料的光电性能是指材料对于光的响应及其光电特性，这也是低维半导体材料研究中的重要方面。

对于低维半导体材料而言，其载流子运动受到约束，因此载流子的寿命会变长。

同时，由于低维半导体材料表面积小，表面反应活性很强，因此极易出现表面态。

这些表面态往往会对材料的光电性能产生重要影响。

低维半导体材料的光电性能研究对于进一步了解材料的特性、提升材料的性能以及开发新型光电器件有着重要意义。

低维半导体材料制备及其物性研究近年来，随着科技的发展，低维半导体材料逐渐成为了新一代材料研究的热点。

这种材料相对于传统的材料具有结构简单、物性特殊、能带调控等优点，在光电子器件、化学传感器、能源转化等领域有着广泛的应用前景。

然而，低维半导体材料的制备和物性研究依旧是一个具有挑战性的课题，在这篇文章中我们将深入探讨这个领域的相关知识和研究进展。

一、低维半导体材料的概念及种类低维半导体材料是指在三维空间中，至少有一个方向上纳米尺度取向，如二维材料（如石墨烯、稀土十五烷基硫酸盐等）、一维材料（如纳米线、纳米棒、纳米管等）和零维材料（如纳米颗粒、量子点等）等。

这些材料具有极低的维度，因此在物理、化学等方面表现出了独特的性质，如全息图效应、表面等离子体共振效应、拓扑自由度等。

二、低维半导体材料的制备方法目前，低维半导体材料的制备方法可以分为自下而上和自上而下两种，具体方法如下：1、自下而上法这种方法是将原子、分子或团簇作为单位，通过化学反应制备出半导体纳米颗粒、纳米线、纳米棒等低维材料，常用的自下而上法包括溶液法、热分解法、气相沉积法等，并可以通过有机化学合成、水相合成等方式实现。

2、自上而下法这种方法是从半导体单晶造型开始，通过化学腐蚀、离子束刻蚀等方法实现制备低维材料的方法。

常用的自上而下方法包括分子束外延、化学气相沉积等。

三、低维半导体材料的物性研究低维半导体材料由于其简单的结构和特殊的物理性质，因此引起了研究人员的广泛关注。

目前，有关半导体低维物性研究主要包括以下几个方面：1、功函数和势垒的理论研究半导体低维材料的功函数与势垒，决定了电子和空穴在材料内部的输运行为。

因此，研究这些基本物理参数对于理解材料的物性和设计高效器件有着重要的作用。

2、电子输运特性的实验研究电子输运特性包括材料的载流子浓度、迁移率、电导率等参数，通过实验方法可以得到这些参数的详细信息，从而为理解材料的物质特性和优化材料设计提供帮助。