肖美霞 辛海濤 姚婷珍

摘 要：采用第一性原理模擬方法研究表面修飾和電場對氮化鎵納米薄膜電學性質(zhì)的影響。對于表面鎵原子和氮原子分別進行氫化、氟化或氯化得到的氮化鎵納米薄膜（A-GaN-B），當層厚相同時，Cl-GaN-H和Cl-GaN-Cl薄膜的能隙較小，而H-GaN-H和F-GaN-F薄膜的能隙較大。當層厚增加時，相同表面修飾的氮化鎵納米薄膜能隙將逐漸減小，最終由半導體轉(zhuǎn)變?yōu)閷w。當施加垂直電場時，薄膜能隙將依賴于電場方向呈現(xiàn)線性增加或者降低。該研究結(jié)果將會為氮化鎵納米材料應用于納米電子器件提供重要的理論指導。

關鍵詞：氮化鎵納米薄膜 能隙 表面修飾 電場 第一性原理

中圖分類號：O48 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）02（b）-0023-03

大塊氮化鎵具有很多獨特的物理性質(zhì)，在光學、電學、自旋電子學等領域具有廣泛的應用。近期二維納米薄膜結(jié)構及電學等性質(zhì)備受關注，這是由于其存在較大的表面體積比，表面對其物理和化學性質(zhì)起著至關重要的作用。發(fā)生表面重構的納米薄膜的能隙將會由表面態(tài)所決定的，由此表面修飾對不同厚度納米薄膜的性質(zhì)有著重要的調(diào)控作用[1]。而電場對二維半導體納米材料的性質(zhì)也有重要的調(diào)控作用[2]，如完全氫化的鍺薄膜在外電場作用下可由導體轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賉3]。在該文中，研究表面修飾和電場對氮化鎵納米材料電學性質(zhì)的調(diào)控作用將會為其在新型納米電子器件領域的發(fā)展提供重要的理論指導意義。

1 模擬方法

模擬計算采用基于密度泛函理論的DMol3模塊[4]，相關交換函數(shù)使用廣義梯度近似GGA中PBE方法。核處理方法使用密度泛函理論半核贗勢?；驹O置使用雙數(shù)字極化。k點設置為17×17×1。能量收斂公差，最大力收斂和位移分別為1.0×10-5 Ha，0.002 Ha/，和0.005 。

2 模擬結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

沒有表面修飾的氮化鎵納米薄膜結(jié)構優(yōu)化后，其原子結(jié)構為類石墨平面結(jié)構，如圖1（a）所示；隨著層厚的增加，其間接能隙降低量較?。▓D2）。該研究結(jié)果與以前報道的結(jié)果一致[1]。對于表面鎵原子和氮原子分別進行氫化、氟化或氯化得到的氮化鎵納米薄膜（A-GaN-B），其原子結(jié)構示意圖如圖1（b）所示，Cl-GaN-Cl和Cl-GaN-H薄膜在雙層時可轉(zhuǎn)變?yōu)閷w。而對于H-GaN-H、F-GaN-F及F-GaN-H薄膜，F(xiàn)-GaN-H納米薄膜在層厚相同時，能隙值最小。由此可見，表面修飾可有效調(diào)節(jié)不同厚度的氮化鎵納米薄膜的能隙。

對表面修飾的氮化鎵納米薄膜施加垂直電場[見圖1（b）]，從B到A方向的電場F為正電場，相反方向的電場為負電場。隨著正電場強度的增加，薄膜能隙值將不斷減小，最終由半導體轉(zhuǎn)變?yōu)閷w；而隨著負電場強度的增加，其能隙值將呈現(xiàn)出近乎線性增加。圖3以電場對三層F-GaN-H納米薄膜電學性質(zhì)調(diào)控效果為例來進行說明。沒有電場時，F(xiàn)-GaN-H納米薄膜為直接能隙，能隙值為0.82 eV。當施加正電場時，直接能隙值將會減小，在電場強度達到F =+0.20 V/時，其能級將會貫穿費米面，轉(zhuǎn)變?yōu)閷w。當施加負電場時，直接能隙值將會增加，當電場強度達到F= -0.30 V/時，其能隙值將會增加到2.18 eV。

表面修飾和電場對氮化鎵納米薄膜能隙有著重要的調(diào)控作用，研究發(fā)現(xiàn)其能帶結(jié)構主要由表面吸附的原子來決定。當薄膜厚度層數(shù)為兩層時，H-GaN-H和H-GaN-F納米薄膜直接能隙的大小受到表面吸附的H1s和F 2p軌道的調(diào)控作用；而H-GaN-Cl納米薄膜表面的H 1s和Cl 2p軌道貫穿費米面，促使其轉(zhuǎn)變導體。對于兩層和三層F-GaN-H納米薄膜，表面吸附的F 2p軌和H 1s軌道分別對價帶頂和導帶底起著重要的調(diào)控作用，并且表面吸附的氟原子和氫原子的電荷轉(zhuǎn)移和軌道能級伴隨薄膜厚度的增加也發(fā)生變化，因而能隙隨之減小。

圖4給出了三層F-GaN-H納米薄膜在不同電場強度下最高占據(jù)態(tài)分子軌道圖和最低未占據(jù)態(tài)分子軌道圖。研究結(jié)果表明，在垂直電場作用下，最低未占據(jù)態(tài)分子軌道主要占據(jù)表面氮原子和其吸附的氫原子；而最高占據(jù)態(tài)分子軌道主要占據(jù)表面氮原子和其吸附的氟原子。這意味著表面修飾和電場促使氮化鎵納米薄膜空穴和電子的輸運軌道分離，具有準類型II的能帶排列的特點。這將改善載流子的有效工作時間并增強小尺寸半導體納米薄膜性質(zhì)。因此，表面修飾和電場提供了一種既經(jīng)濟又有效的方法來改變單一半導體納米薄膜性質(zhì)，為其實際應用于納米電子器件的設計具有重要的意義。

3 結(jié)語

當?shù)壖{米薄膜層厚相同時，不同的表面修飾可有效調(diào)節(jié)其能隙；隨著層厚增加時，其能隙將會減小，最終由半導體轉(zhuǎn)變?yōu)閷w。在電場作用下，能隙將依賴電場的方向，隨著電場強度增加而增加或降低。表面修飾和電場促使空穴和電子輸運軌道分離，為其應用于納米電子器件提供重要的理論指導。

參考文獻

[1] Tang Qing，Cui Yao， Li Yafei， et al. How do surface and edge effects alter the electronic properties of GaN nanoribbons [J].Journal of Physical Chemistry C， 2011，115（5）：1724-1731.

[2] 董海明.摻雜石墨烯系統(tǒng)電場調(diào)控的非線性太赫茲光學特性研究[J].物理學報，2013，62（23）：373-377.

[3] Li Yafei，Che Zhongfang.Tuning electronic properties of Germanane layers by external electric field and biaxial tensile strain：a computational study[J].Journal of Physical Chemistry C，2014，118（2）：1148-1154.

[4] B.Delley.From molecules to solids with the DMol3 approach[J].Journal of Chemical Physics，2000，113（18）：7756-7764.