Электронная структура группы сочинение пример

ООО "Сочинения-Про"

Ежедневно 8:00–20:00

Санкт-Петербург

Ленинский проспект, 140Ж

Сочинение на тему Электронная структура группы

Мы знаем, что зонная структура любого полупроводника необходима для определения его потенциальной эффективности. Точные знания о зонной структуре полупроводника очень важны для изучения его применений и даже повышения производительности. Вот почему точное знание зонной структуры полупроводника является жизненно важным для культивирования его приложений и даже фильтрации производительности. Кроме того, оптические измерения и расчеты зонной структуры зависят друг от друга для понимания электронных зонных структур в полупроводниках [58]. Поскольку как проводящая, так и валентная зоны вносят значительный вклад в энергетический диапазон, в который попадают оптические возбуждения, невозможно дать детальную интерпретацию оптической отражательной способности без по меньшей мере полуколичественного расчета структуры полосы в первую очередь. Аналогичным образом, надежность этих расчетов, в свою очередь, зависит от правильной интерпретации определенных ключевых характеристик в оптических данных. Очевидно, что процесс определения зонной структуры является методом проб и ошибок, но он часто приводит к последовательной, количественной, детальной картине зонной структуры полупроводников в ограниченном диапазоне энергии вокруг фундаментальной щели. Учитывая, что ZnO ​​является кандидатом в полупроводники для применения в оптоэлектронных устройствах, четкое понимание зонной структуры имеет решающее значение при объяснении оптических и электрических свойств. Наиболее важным фактором, ответственным за то, чтобы материал продемонстрировал лучшие оптоэлектронные свойства, является большая энергия связи экситонов, и этим свойством обладает оксид цинка с энергией связи 60 МэВ, который может присутствовать при комнатной температуре и выше из-за экситонной рекомбинации. На процесс оптического поглощения и испускания влияют связанные экситоны, которые являются внешним переходом, связанным с легирующими примесями или дефектами, тем самым обычно ответственными за создание дискретных электронных состояний в запрещенной зоне. Теоретически, нейтральные или заряженные доноры и акцепторы являются членами, с которыми может быть связан экситон, и он просто зависит от зонной структуры полупроводникового материала.

Для расчета зонной структуры вюрцита ZnO было использовано несколько теоретических подходов различной степени сложности. Такие, как функциональный метод Грина [59], приближение локальной плотности (LDA) [60-61], приближение GW (GWA) [62-63] и First-принципы (FP) [64-65], были использованы для расчета зонная структура вюрцита ZnO. Кроме того, был опубликован ряд экспериментальных данных о зонной структуре электронных состояний в вюрците ZnO, [66-71]. Например, D. Vogel и др. Еще более усовершенствовали метод LDA, включив в него псевдопотенциалы, скорректированные на атомное самовзаимодействие (SIC-PP), в которых 3d-электроны Zn были точно учтены для расчета структуры электронных зон ZnO. Соответствующие результаты показаны на рисунке 2.3.

Горизонтальные пунктирные линии показывают измеренную энергию зазора и ширину d-полосы. SIC-PP намного эффективнее обрабатывает d-полосы, чем стандартный метод LDA. [Перепечатано с разрешения [60], Copyright 1995, Американское физическое общество].

Ширина запрещенной зоны ZnO была определена из стандартных расчетов LDA и составляет всего ~ 3 эВ, как показано на рисунке 2.4 (а). Эта уменьшенная ширина запрещенной зоны была получена, потому что мы видим, что 3d-состояния были обработаны как уровни ядра, чтобы упростить вычисления в стандартном методе LDA. Согласно результатам расчета по методу SIC-PP, как показано на рисунке 2.4 (b), нижние 10 полос (встречающиеся около -9 эВ) соответствуют уровням Zn 3d. Следующие 6 полос от -5 эВ до 0 эВ соответствуют состояниям связи O 2p. Первые два состояния зоны проводимости сильно локализованы на Zn и соответствуют пустым уровням Zn 3s. В отличие от левой панели, d-полосы значительно смещены по энергии, и вместе с этим разрыв значительно увеличен. Кроме того, дисперсия и ширина полосы валентных зон O 2p значительно изменяются. Энергия зазора и положение d-диапазона значительно улучшены по сравнению со стандартными результатами LDA. Ширина запрещенной зоны, определенная из этого расчета, составляет 3,77 эВ, что достаточно хорошо коррелирует с экспериментальным значением 3,4 эВ. Таким образом, мы видим, что энергия запрещенной зоны и положение d-полосы были значительно улучшены по сравнению со стандартными результатами LDA.

Поскольку и зона проводимости, и валентная зона вносят значительный вклад в энергетический диапазон, в который попадают оптические возбуждения, невозможно провести подробный анализ оптической отражательной способности, по крайней мере, без предварительного полуколичественного расчета структуры полосы. Методы отражения / поглощения или испускания УФ-излучения могут быть использованы для измерения уровней электронных сердечников в твердых телах. Применяя эти методы, мы можем измерить разность энергий между состояниями верхней валентной зоны и состояниями нижней зоны проводимости.

<Р> D.W. Лангер и К. Дж. Весели использовали измерение фотоэмиссии, вызванное рентгеновским излучением, для определения энергетических уровней остовных электронов в ZnO в 1970 году [74]. В 1971 году Р. А. Пауэлл и др. Провели ультрафиолетовые измерения фотоэмиссии на гексагональном ZnO, расщепленном в вакцине [75]. Результаты показали, что уровень ядра Zn 3d, расположенный на 7,5 ± 0,2 эВ ниже максимума валентной зоны, который был на ~ 3 эВ ниже, чем прогнозировалось расчетом функциональной полосы Грина Ресслера. Но это назначение отлично согласуется с результатом (7,6 эВ) предыдущих измерений рентгеновской фотоэмиссии. Впоследствии, в 1974 г. Л. Лей и др. Представили полные спектры рентгеновской фотоэмиссии в валентной зоне для 14 полупроводников, включая гексагональный ZnO [76]. Результаты убедительно доказали, что расчеты зонной структуры в сочетании с рентгеновскими фотоэмиссионными спектрами обеспечивают мощный подход к установлению полной структуры валентной зоны полупроводников. До сих пор некоторые группы все еще использовали рентгеновскую фотоэмиссионную спектроскопию для исследования зонной структуры ZnO. К настоящему времени согласованность между теоретическим расчетом и экспериментами для структуры энергетической зоны уже достигнута для большого числа полупроводников, включая, конечно, ZnO, поскольку во многих случаях были доступны превосходные и подробные оптические данные.

Оптические свойства полупроводника

Первое исследование об оптических свойствах ZnO началось много десятилетий назад, и оно было около [77-95]. Новый интерес к ZnO усиливается благодаря его перспективам в области оптоэлектроники благодаря его широкой широкой запрещенной зоне 3,37 эВ при комнатной температуре и большой энергии экситонов в 60 мэВ, а также его эффективной излучательной рекомбинации. Сильная энергия связи экситона, которая намного больше, чем у GaN (25 мэВ), и тепловая энергия при комнатной температуре (25 мэВ) могут обеспечить эффективное излучение экситона при комнатной температуре при низкой энергии возбуждения. В результате ZnO известен как перспективный фотонный материал в области синего ультрафиолета. Наряду с этим известно, что оптические свойства ZnO содержат много информации, такой как оптическое поглощение, пропускание, отражение, фотолюминесценция и так далее.

Наноматериалы ZnO имеют широкое применение в оптическом поле, наностержни ZnO могут использоваться в лазерах для быстрой оптической накачки и, следовательно, для создания мощных лазерных лучей. В ближней ультрафиолетовой и видимой областях благодаря своему широкому характеру запрещенной зоны материал ZnO проявляет люминесцентные свойства. Спектры фотолюминесценции (ФЛ) структур ZnO широко освещены. Экситонные излучения наблюдались по спектрам ФЛ материалов ZnO. Было также отмечено, что при ограничении квантового размера наноматериалов ZnO энергия связи экситона увеличивается, но в то же время наблюдается также, что интенсивность зеленого излучения очень сильно увеличивается из-за уменьшения диаметра наностержня ZnO. диаметры. Это связано с большим отношением поверхности к фактору объема нанопроволоки, что способствует более высокому уровню дефектов и комбинаций поверхностей. Сообщалось также, что квантовое ограничение ответственно за синий сдвиг в пике ближнего УФ излучения в нанолентах ZnO. Другое применение включает в себя и не ограничивается оптическими волокнами, солнечными элементами, поверхностными акустическими устройствами и т.

Оксид цинка обычно кристально чистый для видимого света, но сильно поглощает ультрафиолетовый свет ниже 3655 А. Абсорбция обычно сильнее, чем у других белых пигментов. В области видимых длин волн обычный оксид цинка выглядит белым, но рутил и анатаз диоксид титана имеют более высокий реакционный индекс и, следовательно, имеют превосходную непрозрачность. Энергия запрещенной зоны (между валентной и проводящей полосами) составляет 3,2 эВ, что соответствует энергии фотонов 3655 А. Под ультрафиолетовым светом оксид цинка является фотопроводящим. Сочетание оптических и полупроводниковых свойств делает легированный оксид цинка соперником для устройств нового поколения. Солнечные элементы требуют прозрачного проводящего покрытия, оксид индия и олова и оксид цинка (легированный) являются лучшими материалами. Собственные оптические свойства наноструктур ZnO интенсивно изучаются для реализации фотонных устройств. Спектры фотолюминесценции (ФЛ) наноструктур ZnO широко освещались. Экситонные излучения наблюдались по спектрам фотолюминесценции наностержней ZnO. Показано, что ограничение квантового размера может значительно увеличить энергию связи экситона. Наблюдается сильный пик излучения при 380 нм, обусловленный межзонным переходом, и зеленовато-желтая полоса излучения, связанная с вакансией кислорода. Спектры ФЛ показывают, что нанопроволка ZnO является перспективным материалом для УФ-излучения, в то время как его свойство УФ-генерации имеет большее значение и интерес. Благодаря своей почти цилиндрической геометрии и большому показателю преломления (~ 2,0), нанопроволока / наностержень ZnO является естественным кандидатом на роль оптического волновода. Дополнительные преимущества лазеров на нанопроволоках ZnO заключаются в том, что экситонная рекомбинация снижает порог генерации, а квантовая конфайнмент дает существенную плотность состояний на краях зон и повышает эффективность излучения. Оптическое волноводное использование диэлектрических нанопроводов также достигло значительных успехов. Недавно нанопроволоки ZnO были описаны как субволновой оптический волновод. Излучение света с оптической накачкой направлялось нанопроволокой ZnO и связывалось с нанолентой SnO2. Эти результаты показывают, что наноструктуры ZnO могут быть потенциальными строительными блоками для интегральных оптоэлектронных цепей.

Фотолюминесцентные свойства ZnO

Люминесценция – это неравновесный процесс, который требует внешнего возбуждения, и излучение света через любой процесс, кроме излучения черного тела, можно назвать люминесценцией. Основываясь на источнике возбуждения, люминесценция называется фотолюминесценцией (ФЛ) (вызванной поглощением фотонов), электролюминесценцией (ЭЛ) (вызванной электрическим током), катодолюминесценцией (КЛ) (вызванной электронным пучком), хемолюминесценцией (вызванной из-за химических реакций) или термолюминесценции (вызванной теплом).

Основные принципы PL и возможные эмиссионные линии в ZnO описаны ниже. Люминесценция в полупроводниках является прямым результатом электронных переходов с более высоких на более низкие энергетические уровни. На рисунке 2.7 показана упрощенная зонная структура полупроводника вблизи центра первой зоны Бриллюэна, где материал с энергией запрещенной зоны Eg облучается лазером с энергией hν> Eg, что приводит к возбуждению электрона в зоне проводимости ( стрелка 1) и оставляя дыру позади в валентной зоне. Таким образом, создается электронно-дырочная (e-h) пара. Электроны и дырки термализуются до состояния с наименьшей энергией в соответствующих полосах с помощью фононной эмиссии (показано красными волнистыми стрелками), прежде чем рекомбинировать (стрелка 2) через фундаментальную запрещенную зону или уровни дефектов в запрещенной зоне и излучать фотоны соответствующие энергии в двух основных механизмах.

Механические свойства

ZnO является относительно очень мягким материалом с приблизительной твердостью всего 4,5. Его упругие постоянные относительно меньше, чем у других полупроводников III-V, например GaN. Высокая теплоемкость и высокая теплопроводность, низкие значения теплового расширения и высокие температуры плавления являются одними из характеристик ZnO. Было предложено, чтобы ZnO был более перспективным люминофором, излучающим УФ-излучение, чем GaN, из-за его большей энергии связи экситона (60 мэВ). Среди полупроводников, связанных тетраэдрически, обнаружено, что ZnO ​​имеет самый высокий пьезоэлектрический тензор. Это делает его важным материалом для многих пьезоэлектрических применений, которые требуют высокой степени электромеханической связи между ними. Его высокая теплоемкость и теплопроводность с низким тепловым расширением и высокими температурами плавления делает его полезным для керамики. Он имеет один из самых высоких пьезоэлектрических тензоров по сравнению с другими полупроводниками III-V, такими как GaN и An. Это свойство делает его важным для многих пьезоэлектрических применений, которые требуют большой электромеханической связи.

Электрические свойства

Фундаментальные исследования электрических свойств наноструктур ZnO имеют решающее значение для разработки их будущих приложений в наноэлектронике. ZnO имеет довольно большую запрещенную зону. Преимущества большой запрещенной зоны включают более высокие значения напряжений пробоя, поддержание больших электрических полей, высокотемпературные и мощные операции. ZnO имеет характер n-типа, при отсутствии легирования. Нестехиометрия обычно является источником характера n-типа. По сообщениям, из-за таких дефектов, как кислородные вакансии и цинковые внедрения, нанопроволоки ZnO демонстрируют поведение полупроводника n-типа. Основное препятствие ZnO для широкого применения в электронике и фотонике лежит на сложности легирования p-типа. Успешное легирование p-типа для наноструктур ZnO значительно улучшит их будущее применение в наноразмерной электронике и оптоэлектронике. Нанопроволоки ZnO P-типа и n-типа могут служить в качестве p-n-переходных диодов и светодиодов (LED).

Наличие относительно большой прямой запрещенной зоны …

Поделиться сочинением
Ещё сочинения
Нет времени делать работу? Закажите!

Отправляя форму, вы соглашаетесь с политикой конфиденциальности и обработкой ваших персональных данных.