| 题名 | 红外光电子材料碲镉汞的功能缺陷掺杂的第一性原理研究 |
| 作者 | 孙立忠 |
| 答辩日期 | 2005-05-17 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 陆卫 |
| 关键词 | 光电子材料 碲镉汞 第一性原理 Lapw方法 Ppw方法 杂质 空位缺陷 |
| 学位专业 | 微电子学与固体电子学 |
| 英文摘要 | 作为对我国战略性高技术－红外光电技术的重要支撑性与基础性材料，碲镉汞材料已作为我国的自主技术在国家的航天领域得到了在轨应用。随着应用的深入和红外探测技术发展，对碲镉汞材料的很多深刻物理问题认识已难以停留在基于经验参数的理论框架内。区别于硅和砷化镓等典型半导体材料，碲镉汞材料由于汞元素的存在而变得相对复杂，许多材料机理乃至器件在工程应用环境中表现的现象需要从全量子理论框架中寻求答案。面对我国碲镉汞材料在器件应用和气象卫星应用中的问题，本文采用全量子理论框架中的第一性原理技术途径研究了若干碲镉汞材料的最核心缺陷与掺杂问题。我们利用基于第一性原理的方法对碲镉汞材料中的As掺杂和Hg空位缺陷对材料电子结构的影响进行了系统的理论研究，为碲镉汞材料工艺以及碲镉汞红外焦平面技术的发展提供全量子的理论分析基础，也为我国气象卫星上辐照对碲镉汞探测器性能的影响分析提供了理论依据，相关结果被国家决策部门采纳。结合全电子势线性缀加平面波方法（FP-LAPW）和平面波赝势方法（PPW）的计算优势，针对碲镉汞材料功能掺杂和缺陷的研究取得的主要成果如下： 1. 对CdTe和HgTe的总能、能带结构、态密度进行了计算，对比了LDA(local density approximation)和GGA(general gradient approximation)交换关联势对晶格参数优化、能带结构和态密度的影响。计算分析了CdTe材料电子和空穴的有效质量、CdTe和HgTe的弹性常数。对CdTe/HgTe材料形成超晶格时的带阶问题进行了讨论。以上的计算分析得到了与实验符合很好的结果，为进一步分析碲镉汞材料的掺杂和缺陷提供了理论基础。 2. 系统地计算分析了合金化对碲镉汞材料Te-Cd键和Te-Hg键成键机制的影响。结合AIM理论计算模拟了Hg1-xCdxTe材料成键强度以及成键过程中的电荷转移。计算结果首次从理论定量分析的基础上发现合金化效应将导致Hg1-xCdxTe材料中的Te-Cd键和Te-Hg键的成键强度相对CdTe中的Te-Cd键和HgTe中的Te-Hg键都变弱的现象。并对碲镉汞材料生长工艺过程中比较容易形成Hg空位缺陷的原因进行了理论解释。 3. 系统地研究了As杂质在碲镉汞材料中的两性行为。在分析过程中发现无论是As代Hg位还是As代Te位掺杂，在某些组分将伴随第一近邻原子的Jahn-Teller畸变。通过态密度、电荷密度和成键电荷密度的详细分析发现，As代位掺杂后与碲镉汞材料第一近邻原子之间的成键形式具有共价键特征。这种共价成键一方面造成As杂质第一近邻向内收缩驰豫，另一方面也为As在碲镉汞材料中的掺杂稳定性找到了理论依据。 4. 当碲镉汞材料出现Hg空位时，空位第一近邻Te将向Hg空位点形成径向收缩驰豫，通过电荷密度和成键电荷密度的分析，我发现形成该现象的主要原因在于形成Hg空位缺陷后，伴随着缺陷第一近邻Te悬挂键的重整，在空位点形成负电累积，这种负电累积形成的库仑相互作用造成了Hg空位第一近邻的径向收缩驰豫。在悬挂键重整的分析过程中我们还发现，第一近邻Te原子5s态的能量将向高能端移动。 5. 在碲镉汞材料中存在Hg空位时，发现了在某些组分情况下和一些无序构型中将伴随Jahn-Teller畸变。这种Jahn-Teller效应将对材料的电子结构和杂质能级产生很大的影响。通过态密度和缺陷态电子填充的分析表明，Hg空位将形成双受主能级。我们发现该双受主能级的存在是造成碲镉汞材料在辐照情况下响应波长变化以及造成器件响应衰减的主要原因，该分析结果为风云二号X星XX通道衰减分析与实验报告中的“辐照对碲镉汞探测器性能的影响”的分析报告提供了理论依据。 |
| 学科主题 | 红外基础研究 |
| 公开日期 | 2012-07-11 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://202.127.1.142/handle/181331/4280]  |
| 专题 | 上海技术物理研究所_上海技物所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 孙立忠. 红外光电子材料碲镉汞的功能缺陷掺杂的第一性原理研究[D]. 中国科学院研究生院. 2005. |
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