新型金属氧化物半导体材料特性与应用研究

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微电子技术的不断进步与新型器件的不断涌现使得其与材料科学领域的结合越来越紧密,各种新功能材料的研究与开发已逐渐成为业界研究的热点。新型金属氧化物半导体材料以其丰富的力学、电学、光学特性而成为研究的重点。其中纳米多孔二氧化钛和铟镓锌氧等材料,及其在新一代染料敏化太阳能电池技术以及透明薄膜晶体管显示器件技术中的应用研究成为当前相关研究领域备受瞩目的前沿热门课题。  本论文围绕着纳米多孔二氧化钛和铟镓锌氧的输运特性和电学特性的问题,使用了经典输运理论和基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,从基础的物理原理出发,模拟研究了其材料特性,包括染料敏化太阳能电池结构中纳米多孔二氧化钛电极的输运特征,以及铟镓锌氧半导体材料的导电机制及其与材料结构的关联性。论文所完成的主要工作和取得的成果包括:  (1)建立了纳米多孔二氧化钛电极的一维输运模型,其中包括电极内部载流子与可动离子满足的物理方程、基于经典漂移扩散理论的电极内部电流输运方程,结合泊松方程完整描述了电极内部的基本物理过程;针对光照下纳米多孔二氧化钛电极,使用化学平衡速率计算了其产生复合率,得到了相关的连续性方程及其相应的边界条件;  (2)编写了求解光照下纳米多孔二氧化钛电极内部的载流子输运特性的模拟程序,得到了载流子分布、流密度分布和电场分布等特性,并比较了不同端电流下电极内部输运的异同以及不同载流子的输运特征;同时,模拟了染料敏化太阳能电池器件结构中纳米多孔二氧化钛电极厚度对于输运过程的影响,特别是产生复合率在厚度改变下的变化,并进一步提出了电极厚度的优化方法;  (3)分析了铟镓锌氧材料中金属镓原子分布的不确定性对于材料特性的影响以及铟镓锌氧材料特性与镓原子的排布方式的关联性。通过对两种典型的镓原子排布方式进行第一性原理的几何优化计算,得出了最稳定状态下镓原子分布需要满足的排布方式,分析了镓原子分布对于体系稳定性影响的原因,并给出了判断铟镓锌氧稳定性的一般方法;  (4)计算了不同镓分布下的铟镓锌氧晶格的电学特性及其导电机制。计算获得了包括态密度曲线和电子密度分布等关键的电学特性,分析了各类原子外层电子在导带底处的态密度贡献,尤其是铟和镓原子对于材料导电特性的贡献。结果表明在稳定的晶格结构下,电子轨道在氧化铟层内形成更好的扩展状态,而在不稳定结构中,则是在镓原子层中形成非局域的电子扩展态。  研究所取得的结果,将对染料敏化太阳能电池器件与新型透明氧化物材料的优化设计提供重要的理论指导。  
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