光電納米薄膜的能帶結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)課件

1、第四章光電納米薄膜的能帶結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)第四章光電納米薄膜的能帶結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)引言電子的輸運（電子的躍遷）電學(xué)能帶理論光學(xué)磁性引言電子的輸運（電子的躍遷）電學(xué)能帶理論光學(xué)磁性導(dǎo)體：價帶是導(dǎo)帶或等效導(dǎo)帶導(dǎo)帶滿帶滿帶空帶滿帶空帶重疊相連絕緣體：只有滿帶和空帶，且禁帶寬度較大滿帶空帶禁帶例如金剛石中兩個碳原子相距15納米時，Eg=5.33電子伏。 導(dǎo)體：價帶是導(dǎo)帶或等效導(dǎo)帶導(dǎo)帶滿帶滿帶空帶滿帶空帶重疊相連絕半導(dǎo)體：價帶是滿帶，但是禁帶寬度較小導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的不同，主要是能帶結(jié)構(gòu)不同滿帶空帶禁帶例如硅Eg=1.14電子伏，鍺Eg=0.67電子伏，砷化鎵Eg=1.43電子伏。 金屬導(dǎo)電與半導(dǎo)體導(dǎo)電的

2、差別：金屬導(dǎo)電的載流子是自由電子，半導(dǎo)體導(dǎo)電的載流子是導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴。半導(dǎo)體：價帶是滿帶，但是禁帶寬度較小導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的不能帶理論能帶理論是目前研究固態(tài)材料中電子運動的一個主要基礎(chǔ)理論。是在量子力學(xué)規(guī)律確定以后，在用量子力學(xué)研究金屬電導(dǎo)理論過程中發(fā)展起來的。能帶理論能帶理論是目前研究固態(tài)材料中電子運動的一個主要基礎(chǔ)理1、單電子近似復(fù)雜性起源：多體問題http:/www.upscale.utoronto.ca/GeneralInterest/Harrison/Flash/Chaos/ThreeBody/ThreeBody.html1、單電子近似體系性質(zhì)價電子+體系性質(zhì)價電子+

3、Born-Oppenheimer絕熱近似：同時也被稱為定核近似，它是由奧本海默和他的導(dǎo)師玻恩在1927年共同提出的。核心：分子系統(tǒng)中核的運動與電子的運動可以分離。研究電子運動的時候可以近似的認(rèn)為原子核是靜止不動的，而研究原子核的運動時則不需要考慮空間中電子的分布。Born-Oppenheimer絕熱近似：同時也被稱為定核近原子核體系：決定材料中聲波的傳波、熱膨脹、晶格比熱、晶格熱導(dǎo)率和晶格缺陷等體系中離子（原子）實運動由經(jīng)典Newton運動方程所描述周期排列的離子（原子）實的行為可以通過晶格動力學(xué)來處理，通過聲子描述其物理性質(zhì)原子核體系：電子體系：電子體系的薛定諤方程決定著材料的電導(dǎo)率、金屬的

4、熱導(dǎo)率、超導(dǎo)電性、能帶結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性能等等。電子體系：電子體系的薛定諤方程決定著材料的電導(dǎo)率、金屬的熱導(dǎo)我們期望體系的哈密頓量則薛定諤方程為我們期望體系的哈密頓量單電子周期勢場示意圖Hartree自洽場近似密度泛函理論局域密度近似準(zhǔn)粒子近似單電子周期勢場示意圖能帶形成的微觀解釋:外層電子共有化+能帶形成的微觀解釋:外層電子共有化+原子結(jié)合成晶體時晶體中電子的共有化運動+原子結(jié)合成晶體時晶體中電子的共有化運動布里淵區(qū)與能帶第一布里淵區(qū)實際上就是晶格的倒格子的Wigner-Seitz原胞布里淵區(qū)與能帶第一布里淵區(qū)實際上就是晶格的倒格子的Wigne每個布里淵區(qū)經(jīng)過適當(dāng)?shù)钠揭浦蠛偷谝徊祭餃Y區(qū)重合每個布

5、里淵區(qū)經(jīng)過適當(dāng)?shù)钠揭浦蠛偷谝徊祭餃Y區(qū)重合布里淵區(qū)：布里淵區(qū)邊界描述了晶體周期性邊界（勢場）對電子作用。電子先填充低能級，對應(yīng)等能面離布里淵區(qū)邊界遠(yuǎn)，不受周期場的影響，是球面；但隨著電子依次向高能級填充，對應(yīng)等能面接近布里淵區(qū)邊界，受周期場的影響，發(fā)生變形；等能面與布里淵區(qū)邊界相交時。形成不連續(xù)能帶。布里淵區(qū)：光電納米薄膜的能帶結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)課件 三維和一維存在一個重要的區(qū)別，即不同能帶在能量上不一定分隔開，而可能發(fā)生能帶之間的交疊。如下圖， 三維和一維存在一個重要的區(qū)別，即不同能帶在能量上不一原子能級與能帶最簡單情況能級能帶Espf原子能級與能帶最簡單情況能級能帶Espf當(dāng)有N個相同的自由原

6、子時，每個原子內(nèi)的電子有相同的分立的能級，它們是N重簡并的，當(dāng)這N個原子逐漸靠近時，原來束縛在單原子中的電子，不能在一個能級上存在（違反泡利不相容原則）從而只能分裂成N個非?？拷哪芗墸?0-22ev），因為能量差甚小，可看成能量連續(xù)的區(qū)域，稱為能帶。當(dāng)有N個相同的自由原子時，每個原子內(nèi)的電子有相同的分立的能級薄膜的能帶結(jié)構(gòu)金屬與半導(dǎo)體接觸EfEcE金屬半導(dǎo)體薄膜的能帶結(jié)構(gòu)金屬與半導(dǎo)體接觸EfEcE金屬半導(dǎo)體半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體載流子的不同 外場作用非平衡態(tài)載流子半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體載流子的不同 外場作用非平衡態(tài)載流Ag-Cs2O薄膜的能帶結(jié)構(gòu)AgAgAgCs2OAg-Cs2O薄膜

7、的能帶結(jié)構(gòu)AgAgAgCs2O光電納米薄膜的能帶結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)課件Ag-BaO薄膜的能帶結(jié)構(gòu)Ag-BaO薄膜與Ag-Sc2O薄膜的結(jié)構(gòu)類似，適用于探索超短激光脈沖的光電功能薄膜。Ag-BaO薄膜的能帶結(jié)構(gòu)Ag-BaO薄膜與Ag-Sc2O薄負(fù)電子親和勢當(dāng)薄膜表面存在雜質(zhì)原子時，對表面電子的親和勢會產(chǎn)生影響，如雜質(zhì)給出電子，則稱為n型表面雜質(zhì)，若接受電子，則稱為，p型表面雜質(zhì)。負(fù)電子親和勢當(dāng)薄膜表面存在雜質(zhì)原子時，對表面電子的親和勢會產(chǎn)當(dāng)p型半導(dǎo)體表面存在n型表面雜質(zhì)時，表面雜質(zhì)原子給出電子而帶正電，半導(dǎo)體薄膜接收電子而帶負(fù)電，表面能帶向下彎曲，薄膜材料表面的有效電子親和勢下降，有利于電子逸出表面進(jìn)入真空，即有利于光電發(fā)射。當(dāng)p型半導(dǎo)體表面存在n型表面雜質(zhì)時，表面雜質(zhì)原子給出電子而帶彎曲區(qū)域越窄，光電子更能穿過這一區(qū)域，從表面逸出表面P型摻雜濃度大些，表面n型表面雜質(zhì)彎曲區(qū)域越窄，光電子更能穿過這一區(qū)域，從表面逸出表面P型摻雜GaAs-Cs2O負(fù)電子親和勢光電發(fā)射薄膜結(jié)構(gòu)：在GaAs表面制備一層n型Cs2O，在Cs2O表面在制備單原子Cs層能帶結(jié)構(gòu)： GaAs/Cs2O異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)使界面處能帶向下彎，Cs為Cs2O又提供了電子，界面處能帶進(jìn)一步向下彎GaAs-Cs2O負(fù)電子親和勢光電發(fā)射薄膜超晶格的能帶結(jié)構(gòu)超晶格薄膜的結(jié)構(gòu)及其能帶特點：1）多層薄膜，一般在十層以上，薄膜界面對薄