4H-SiC(0001)表面缺陷结构与电子性质理论研究

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碳化硅(SiC)材料由于具备非常多的优异性能,在诸多领域有着广泛应用。一方面SiC具有高硬度、高强度、高热导率和高化学稳定性等特性使其作为陶瓷材料或陶瓷基复合材料广泛应用于机械加工、石油化工、核工业等领域。另一方面SiC具有宽带隙、高临界击穿电场、高载流子饱和漂移速率等优点,是一种极具潜力的第三代宽带隙半导体材料,常被用作高温、高频、高压、高功率和抗辐射微电子器件,在航空航天、电子等领域发挥着重大作用。随着应用的不断拓展,对SiC表面结构及性质的深入研究,尤其是在原子尺度对表面缺陷结构的形成、演化规律及其对表面性质影响的深入研究,有助于实现SiC材料表面结构与性能的精确调控,对SiC材料在诸多领域的成功应用至关重要。  本文研究主要内容包括:⑴利用第一性原理,计算了7种典型单个点缺陷(VC,VSi,CI,SiI…..)从4H-SiC(0001)理想表面迁移到体内深层的形成能大小及其随着化学势(对应环境中不同的碳硅含量)的变化规律,得出不同化学势范围内能量最低缺陷的构型,同时结合点缺陷对结构以及电荷分布的影响,对相关点缺陷形成能随种类和层深大小变化原因进行了分析和解释。⑵通过对3种不同4H-SiC体系:1)块体4H-SiC,2)含有(0001)理想表面的层晶模型以及3)氢原子饱和后的(0001)表面的层晶模型的能带计算,比较了氢饱和前与饱和后的能带变化,同时比较了不同点缺陷对氢饱和后的(0001)表面能带结构的影响。计算结果表明,与三维周期性4H-SiC不同,(0001)理想表面由于有未饱和的表面Si原子,垂直于表面的Z方向周期性被破坏,于原禁带处产生较多的表面态以及表面能级。氢饱和的(0001)表面能够消除表面态,产生~1.52 eV的禁带。在此基础上产生的空位点缺陷和填隙点缺陷,由于产生不饱和键或者晶格畸变,在原禁带处产生相应的缺陷能级,影响原有饱和体系的电子性质,而单个反位缺陷由于未产生非饱和键,对能带结构影响较小。⑶基于经验势分子动力学,模拟了(0001)理想表面移除12个Si和C原子的具有不同对称性边界的孔洞在2000 K高温下热运动的演化行为。模拟结果显示,在25 ps的恒温下,对称性高的孔洞稳定性较好,边界原子基本能够维持住初始构型,而边界呈现无规形状的孔洞稳定性最差,边界发生了明显的重构。能量和结构分析表明,孔洞边界的对称性以及原子组分决定了孔洞边界能的高低,从而影响了孔洞边界的热力学稳定性能。
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