凝聚态物理学中的异质结和界面

异质结1异质结的理想能带结构先不考虑界⾯态的影响来讨论异质结的理想能带图。

(1)异质结的形成当两种不同导电类型的不同半导体材料构成异质结时，由于半导体的能带结构包括费⽶能级以及载流予浓度的不同，在不同半导体之间会发⽣载流⼦的扩散、转移，直到费⽶能级拉平，这样就形成了势垒。

此时的异质结处于热平衡状态，如图1．2所⽰(n型的禁带宽度⽐p型的⼤)。

与此同时，在两种半导体材料交界⾯的两边形成了空间电荷区(即势垒区或耗尽区)。

n型半导体⼀边为正空间电荷区，p型半导体⼀边为负空间电荷区，由于不考虑界⾯态，所以在势垒区中正空间电荷数等于负空间电荷数。

正、负空间电荷问产⽣电场，也称为内建电场，⽅向n —p，使结区的能带发⽣弯曲。

由于组成异质结的两种半导体材料的介电常数不同，各⾃禁带宽度不同，因⽽内建电场在交界⾯是不连续的，导带和价带在界⾯处不连续，界⾯两边的导带出现明显的“尖峰”和“尖⾕”，价带出现断续，如图1．2所⽰。

这是异质结与同质结明显不同之处。

（2）不同导电类型和禁带宽度构成的异质结由两种半导体材料(导电类型和禁带宽度不同)构成的异质结，其能带结构有四种不同的类型(图1．3)。

在异质结器件中我们⾸先关⼼的是少⼦的运动。

因为在这种“p窄n宽”的异质结中图l.3(a)，导带底在交界⾯处的突变△Ee对P区中的电⼦向n区的运动起势垒的作⽤，所以对电⼦的输运影响较⼤。

⽽价带虽然也有⼀个断续，但它对n区中的空⽳向p区运动没有明显的影响，～般情况下可以不加考虑。

反之，对于“p宽n窄”的异质结[图1．3(d)]，情况正好相反，界⾯两边的价带出现明显的“尖峰”和“尖⾕”，所以对空⽳的输运影响较⼤。

导带出现断续，但它对p区的电⼦向n区运动也没有明显的影响。

同型异质结也同样存在“尖峰”和“尖⾕”[图1．3(b)、(c)]。

异质结内尖峰的存在阻⽌了电⼦的输运，这就是所谓的“载流予的限制作⽤”。

（3）各⾃掺杂浓度来决定尖峰在势垒区中的位置尖峰的位置处于势垒上的什么位置将由两边材料的相对掺杂浓度来决定。

太阳能电池张艾佳2013111752一、PN结硅基太阳能电池1、PN结（1）概念在一块半导体材料中，如果一部分是N型区，一部分是P型区，在N型区和P型区的交界面处就形成PN结。

（课本81页）PN结有同质结和异质结两种：用同一种半导体材料制成的PN结叫同质结，由禁带宽度不同的两种半导体材料制成的PN结叫异质结。

（2）平衡PN结PN结中的载流子同时存在漂移运动和扩散运动。

载流子的扩散运动是由于其浓度不均匀造成的，扩散运动使载流子由高浓度向低浓度运动，其结果是在N型区和P型区交界面的两侧形成了一个带正负电荷的空间电荷区。

空间电荷区中的正负电荷形成一个由N区指向P 区的自建电场。

载流子在自建电场作用下会做漂移运动，方向刚好与扩散运动的方向相反。

当扩散运动和漂移运动相抵时，载流子浓度达动态平衡，这就是平衡PN结的情况。

（课本82、83页）2、PN结太阳能电池（1）光生伏特效应太阳能电池是一种将太阳能（或其他光能）转换成电能的能量转换器。

光生伏特效应是PN结太阳能电池工作原理的基础。

所谓光生伏特效应，简单地说，就是当物体受到光照时，其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。

具体过程是这样的：入射光垂直P-N结面，光子进入P-N结区，甚至深入到半导体内部。

能量大于禁带宽度的光子，由本征吸收在结的两边产生电子—空穴对。

事实上，这种光激发对少数载流子浓度的影响很大。

另一方面，由于P-N结势垒区内存在较强的内建电场（由n区指向p区），少数载流子将受该场的作用：P区的电子穿过P-N结进入N区，N区的空穴进入P区，使P端电势升高，N端电势降低，于是在P-N结两端形成了光生电动势。

由于光照产生的载流子各自向相反方向运动，从而在P-N结内部形成自N区向P区的光生电流。

（2）工作原理对于PN结硅基太阳能电池，其基本原理就是光生伏特效应。

在此基础上，接通外电路，便有电能输出。

若把几十个、几百个太阳能电池单体串联、并联封装成太阳能电池组件，在太阳光照射下，便可获得具有一定功率输出的电能。

材料学中的异质结和界面材料学是研究物质结构、性质和应用的学科，是现代科技的基石之一。

在材料学中，异质结和界面是两个常见的概念。

异质结是两种不同材料交界处的结构，而界面是指两个相邻体积的界面。

异质结的形成异质结的形成是由于不同材料的化学、物理性质和结构上的不同而导致的。

不同材料之间的差异会使得它们的能带结构不同，从而导致它们在交界处形成电场，产生电荷转移和行为变化。

这些变化会改变材料的物理和化学性质，影响它们的性能和应用。

例如，当半导体材料与另一种材料相接触时，它们在交界处形成一个异质结。

在异质结中，由于能带结构的改变，一些自由电子和空穴会被限制在一个能带范围内，从而产生强烈的电场。

这种电场可以被应用于太阳能电池和发光二极管等器件中。

界面的作用界面是材料学中重要的概念之一，它通常是两个材料之间的分界面或者是两个不同成分的相之间的分界面。

界面的存在可以使材料具备一些新的性能，在研究材料热力学和物理性质时起着重要的作用。

例如，金属与插层化合物的界面可以产生新的有效质量和态密度，这可以改变材料的电子结构和导电性能。

在光学设备中，光学薄膜是一种被广泛利用的界面。

在光学薄膜中，不同材料之间的界面可以实现光的反射或透过，在光学设备中扮演重要的角色。

结构调控的过程在现代材料学中，异质结和界面的研究是一个重要的方向。

通过研究异质结和界面的形成、性质和作用机制，可以实现材料的结构调控。

结构调控是材料设计和制备中的一个重要过程，可以使材料具备更好的性能、更高的可靠性和更广泛的应用。

例如，研究Al/Al$_2$O$_3$异质结的结构和性质可以实现材料的氧化和抗氧化性能的优化，提高材料的热稳定性和长期使用性能。

在纳米科技领域，通过厚度、载体和表面改性等手段制备界面结构和异质结，可以实现纳米材料的光、电、磁和力学性能的调控。

总结可以看出，异质结和界面是材料学中非常重要的概念。

异质结和界面的形成与性质在现代材料学中起着重要的作用。

第二章高分子的凝聚态结构Structure of condensed state of polymer12学时——引言链结构：单个分子的结构和形态凝聚态结构：分子群体的结构和形态。

指高分子链之间的排列和堆砌结构。

也称为“超分子结构”。

链结构：决定材料的基本性能，间接影响使用性能。

凝聚态结构：决定材料的本体性能，直接影响使用性能。

例子——砖和建筑物的关系用质量好的砖盖的房子不一定坚固。

譬如结构不好，水泥不好，歪了斜了。

质量稍差的砖，好好盖的话房子也会比较坚固。

材料——分子群体——承担负荷的不是单个分子，而是分子群体。

材料的结构应该均匀（各部分整齐划一），不希望在某些位置出现明显缺陷。

因为材料的破坏总是从最薄弱的位置发生和发展的。

凝聚态结构包括：晶态结构（crystalline structure）非晶态结构（non-crystalline structure）取向结构（oriented structure）共混物结构（织态结构）（texture structure）在实际材料中，它们或共存或单独存在，多方面地影响材料的性能。

目的和意义：了解凝聚态结构特征——物理力学性能的关系掌握凝聚态结构——加工成型条件的关系——指导生产加工和应用§3.1 高聚物的分子间作用力单个分子——（分子间作用力）——〉凝聚态（固态和液态）Note：高分子材料只有凝聚态，没有气态。

说明。

一、分子间作用力的类型分子间的作用力包括范德华力和氢键。

范德华力——存在于分子之间或分子内非键合原子间的一种相互吸引的作用力。

包括静电力、诱导力、色散力。

（1）静电力：极性分子——极性分子之间的引力。

（永久偶极之间）极性分子具有永久偶极，静电相互作用与分子偶极的大小和定向程度有关。

温度升高，定向程度下降，则静电力将减小。

作用能量12~21千焦/摩尔，极性高分子中的主要作用力。

Ｃ—Ｃ键键能３５０kJ/mol （2）诱导力：极性分子与非极性分子之间（或者同一分子内极性部分与非极性部分之间） 诱导力是极性分子的永久偶极与它在其它分子上引起的诱导偶极之间的相互作用力。

异质结形成的条件引言：异质结是指由两种或更多种不同材料组成的结构，在材料界面上形成的交界面。

异质结的形成对于材料性能的改善和应用具有重要意义。

本文将从几个方面介绍异质结形成的条件。

一、晶格匹配性晶格匹配是指异质结中各种材料晶格的匹配程度。

晶格匹配性是异质结形成的基本条件之一。

当两种材料的晶格参数相近、晶格结构相似时，易形成晶格匹配的异质结。

晶格匹配性较好的异质结可以提高材料的机械性能和热导率等性能。

二、界面能量界面能量是指异质结界面上的能量状态。

异质结的形成需要考虑两种材料之间的界面能量，使得界面能量尽可能低。

当两种材料的界面能量相近时，易形成稳定的异质结。

界面能量低的异质结具有较好的结构稳定性和界面结合强度。

三、原子间相互作用异质结的形成需要考虑原子间的相互作用。

原子间相互作用包括吸引力和排斥力两种。

当两种材料的原子间相互作用相近时，易形成稳定的异质结。

原子间相互作用较强的异质结具有较好的结构稳定性和界面结合强度。

四、晶体生长条件异质结的形成需要考虑晶体生长条件。

晶体生长条件包括温度、压力、溶液浓度等因素。

当两种材料的晶体生长条件相近时，易形成稳定的异质结。

晶体生长条件适宜的异质结具有较好的结晶质量和晶体形态。

五、外界应力外界应力是指外界对异质结施加的力或应力。

外界应力可以通过应力的作用改变材料的晶体结构和性能。

当两种材料的外界应力相近或相互补充时，易形成稳定的异质结。

外界应力合适的异质结具有较好的力学性能和耐久性。

六、界面反应界面反应是指异质结界面上的化学反应。

界面反应可以改变材料的化学组成和界面结构。

当两种材料之间存在适当的界面反应时，易形成稳定的异质结。

界面反应适宜的异质结具有较好的化学稳定性和界面结合强度。

七、材料选择材料选择是指选取适合形成异质结的材料。

材料选择需要考虑材料的物理性质、化学性质和应用要求等因素。

选择合适的材料可以提高异质结的形成率和性能优势。

结论：异质结形成的条件是晶格匹配性、界面能量、原子间相互作用、晶体生长条件、外界应力、界面反应和材料选择等因素的综合影响。