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1. 研究目的与意义及国内外研究现状

硅虽为半导体材料,但不是很好的光电子材料，它是间接带隙半导体，禁带宽度窄，仅有1.2ev，发光效率低，不能应用于光电器件；然而,当空间尺寸小到纳米级时，即当材料的直径与其德布罗意波长相当时,导带与价带会进一步分裂,量子限制效应与非线性光学效应等会表现得越来越明显，从而获得硅基材料的高光发射^[1]。近些年来，一维硅纳米线（silicon nanowires，sinws）以其与体硅等传统材料截然不同的特殊性质，成为一种重要的光电和热电材料，成为目前凝聚态物理和材料科学等领域的研究热点之一。sinws特殊性质例如：sinws相较于体硅具有较低的热导率，是很好的热电材料；sinws比表面积大，表面活性高，对光的吸收率较高^[2]；sinws量子限制效应引起了从间接能量间隙到直接能量间隙的转变，提高了发光性能等等^[3]。考虑到硅纳米线的光致发电特性、场发射性能、电子运输特性、高表面活性等性质，sinws已经在纳米传感器、光电探测器、光电子发光器件、太阳能电池、纳米场效应晶体管及压力传感器等方面有了很大应用，被认为是未来纳米器件、纳米光电子器件以及纳能量转换器件中必不可缺少的重要组成部分，是一种极有应用潜力的新材料。鉴于sinws的奇特性质以及良好应用前景，科学工作者们已经从制备、光电性质、掺杂、优化设计等方面对sinws做出大量理论与实验研究。

掺杂是硅纳米线实现应用的一个很有效的方法，通过掺杂一定的元素可以改善硅纳米线的性能。由于掺杂硅纳米线可以传输电子及空穴, 可以用作构造单元组装半导体纳米器件。在纳米集成电路中, 用掺杂硅纳米线代替碳纳米管, 不管碳纳米管是否具有金属或半导体特性, 掺杂硅纳米线总会与纳米管形成整流结^[4]。本课题将从微观角度利用基于密度泛函理论的第一性原理方法，计算掺杂对硅纳米线的形成能、能带结构、电子态密度、磁性和光学性质，热导率的影响，为相关的实验研究提供参考。

国内外研究现状

近年来，科学工作者们对掺杂sinws在实验上的研究主要体现在对掺杂sinws的发现、制备和掺杂源的选择上。song 等^[5]通过ni掺杂得到了半导体ni/si合金纳米线，研究表明，半导体ni/si合金纳米线具有极低的电阻率,并且能够与金属电极之间形成稳定的欧姆接触.例如：tang等^[6]人首先发现并报导了硅纳米链，它是一种特殊形态的硅纳米线，由晶核和无定形氧化物外层构成的晶格所组成。以b₂o₃ 作为掺杂源，采用激光烧蚀sio和b₂o₃混合粉末可制得大量硼掺杂硅纳米线，呈黄色海绵状，进一步证明了硅纳米线是由无定型氧化物和硅纳米粒子连接在一起的；zhou等^[7]采用电化学插入法在室温下制备了大量锂掺杂的硅纳米线，并通过高分辨电子显微镜研究了不同锂掺杂量的硅纳米线的显微结构，研究认为：锂的掺杂破坏了硅纳米线的晶体结构，并随着锂的增加，其破坏程度不断增加，说明了掺杂硅纳米线的波段间隙与掺杂源的含量密切相关；

2. 研究的基本内容

(1). 本课题将以[111]晶向掺杂sinws为研究对象，使用meterial studio(ms)中的castep软件包对研究对象进行建模并对模型进行结构优化；

(2). 根据所建模型，计算掺杂sinws的电子结构和光学性质；

(3). 从微观角度利用基于密度泛函理论的第一性原理方法，计算掺杂硅纳米线的形成能、能带结构、电子态密度、磁性和光学性质，热导率，通过分析其计算结果来对掺杂硅纳米线的光电性质和热学性质进行研究；

3. 实施方案、进度安排及预期效果

实行方案：

首先利用material studio（ms）软件建立[111]晶向的掺杂sinws模型并优化结构，然后使用ms的castep软件包计算其电子结构并利用建立的掺杂sinws的热导率、形成能、能带结构、态密度和光学性质；分析所得数据，研究掺杂条件下的硅纳米线的电子结构、光电性质与热学性质。

4. 参考文献

[1] 刘茂玲，丁云桥，段希娥.硅纳米材料简介及硅纳米线的现代合成方法[j].有机硅材料,2009,23(1):60-62.

[2] mulazimoglu e, coskun s, gunoven m, et al.silicon nanowire network metal-semiconductor-metal photo-detectors [j]. appl. phys. lett, 2013,103：083114.

[3] 裴立宅, 唐元洪, 陈扬文等.硅纳米线的表征、性能及应用[j]. 功能材料, 2004, 35:2830-2835