激光辅助半导体场蒸发动力学

The kinetics of field evaporation of semiconductors under laser and electrostatic field will be studied. Atom probe based on field evaporation has shown great value on application, because it is currently the only technique which can be used to characterize the three dimensional atomic structure inside nano-materials. The physical mechanisms of the laser-assisted field evaporation have not been clearly understood, and need to be investigated in depth. The applicant will apply time-dependent density functional theory, combined with molecular dynamics to focus on the laser-assisted field evaporation of metal oxides. The applicant will investigate the effects on the kinetics of field evaporation, including laser wavelength, pulse energy and pulse width. Finally this project will build up theoretical models which describe the physical mechanisms reasonably. The project will help to understand new physics and chemistry in high electric field, providing theoretical insights for ultramicroscopy technique such as atom probe and scanning tunneling microscope.

本项目研究半导体在激光和静电场作用下的场蒸发动力学。基于场蒸发现象的原子探针是目前唯一能够表征纳米材料内部三维原子结构的显微技术，具有重要的应用价值。目前对激光辅助场蒸发这一物理过程的机制尚未有清晰的认识，迫切需要对此进行深入的理论研究。本项目将采用含时密度泛函理论结合分子动力学的模拟方法，重点研究金属氧化物的激光辅助场蒸发，探求激光波长、脉冲能量、脉冲宽度等因素对场蒸发动力学的影响，建立起合理描述其物理机制的理论模型。本项目的研究成果将有助于理解强电场下的新物理和化学现象，为原子探针、扫描隧道显微镜等纳米显微技术提供理论支持。

本项目研究半导体在飞秒级激光和静电场作用下的场蒸发动力学。基于场蒸发现象的原子探针是目前唯一能够表征纳米材料内部三维原子结构的显微技术，具有重要的应用价值。目前对激光辅助场蒸发这一物理过程的机制尚未有清晰的认识，迫切需要对此进行深入的理论研究。本项目发展了含时密度泛函理论结合分子动力学的模拟方法，重点研究了金属氧化物的激光辅助场蒸发，探讨了激光参数对场蒸发动力学过程的影响。在强静电场中，氧化物的电子性质和光学性质都发生显著变化。电场强度接近蒸发临界电场时，发生绝缘体至金属的转变。本项目发现，在脉冲持续时间内，纳米针尖顶端空穴积累导致的电场效应依赖于载流子动力学过程的时间尺度。对于载流子复合较慢的材料，非热的电场效应占据主导地位。本项目首次直接模拟激光脉冲变化电场中金属氧化物场蒸发过程。在场蒸发临界值附近，激光强度随着静电场强度的增大而线性减小，这与实验观察结果一致。这一现象能够用纳米针尖顶端空穴激发的电场效应来解释。另外，本项目还计算了不同元素原子的场蒸发势垒，解释了实验中元素成分缺失的问题。本项目的研究成果将有助于理解强电场下的新物理和化学现象，为原子探针、扫描隧道显微镜等纳米显微技术提供理论支持。