准一维ZnO纳米材料中量子尺寸效应对电输运性能影响的理论研究

当前纳米科学和技术的研究中，纳米尺度引起的量子效应对纳米器件的性能有重要影响，一方面，量子尺寸效应会引起纳米材料性能的变化，导致器件的功能产生偏差；另一方面，可以根据这种效应设计出各种功能的纳米器件。本申请项目将基于第一性原理计算与有效质量近似和包络函数法相结合，从理论上预测准一维ZnO纳米材料的电子输运性质，研究量子尺寸效应对其性能的影响。通过第一性原理的计算，得到块体材料电子结构的基本数据，然后用有效质量近似计算纳米材料的电子输运性质。根据不同尺寸ZnO纳米材料电子输运性质的变化，研究纳米结构引起的量子效应，得出量子尺寸效应的作用大小和存在范围；研究掺杂ZnO P型半导体和稀磁半导体的电子输运性质，观察量子效应的影响；计算ZnO纳米团簇的电输运性质，研究量子输运现象，并在此基础上尝试设计纳米电子器件。本项目提出的研究工作，对纳米纳米器件的开发有积极的帮助作用。

一维ZnO纳米材料的电输运性能是设计ZnO纳米器件的基础，相关的研究工作能够促进ZnO纳米器件的研究进程。在本项目的研究中，课题组通过第一性原理计算方法，采用密度泛函理论（DFT）和非平衡格林函数法，研究了多种准一维ZnO纳米材料的电子结构和电输运性能，并深入研究了多种影响因素，包括尺寸效应（长度和截面积）、纳米材料掺杂、应变以及电极材料对电输运性能的影响；开发了能够用来研究纳米器件性能的计算方法，并研究了ZnO基场效应管的特征曲线。取得的主要进展和研究成果如下：.（1）金电极间ZnO纳米线的电导率随纳米线长度指数衰减，这是由于金电极的费米面处于ZnO纳米线的禁带中，电极接触引起的电荷转移只发生在界面区；.（2）研究发现氧空位的存在能够极大地提高金电极间ZnO纳米线的电导率，这是由于氧空位导致纳米线中电荷的重新分布，提高纳米线中费米面附件的态密度；.（3）Mg电极间ZnO纳米线的电导率随长度的增加指数衰减，但随着截面积的增加由肖特基型变成欧姆型，这是由于纳米线的导带底随截面积的增加而降低，低于电极的费米面；.（4）Cu/ZnO /Cu纳米结构的电导率与不同取向的ZnO纳米线的接触状态有关，输运方向为(112 ̅0)的纳米线有较大的电导率，而输运方向为(101 ̅0)的纳米线的电导率较低；.（5）Cu电极间ZnO纳米带的电导率电导率随长度指数衰减，并观察到了电荷转移随位置的变化和肖特基势垒；.（6）研究发现电极与纳米带的接触对于电输运性能有很大的影响，随着接触距离的增加，电导率快速下降，而界面接触引起的电荷转移减小；.（7）用Li、Na在Zn位实现p型掺杂时，Au电极间ZnO纳米线的电输运性能是欧姆型，有较高的电导率；用Al、Ga在Zn位实现n型掺杂时，电输运性能是肖特基型，具有整流特性；用In在Zn位实现n型掺杂时，电输运性能是欧姆型，有很高的电导率；.（8）用N、P在O位实现p型掺杂时，Au电极间ZnO纳米线的电输运性能是欧姆型，有较高的电导率；用F、Cl在O位实现n型掺杂时，电输运性能是肖特基型，具有整流特性； .（9）研究发现了Cu电极间ZnO纳米带的电导率随应变量有线性变化关系，这是上于应变导致了能带结构的变化，使费米面处的态密度发生变化；.（10）开发了纳米尺度电输运性能的计算方法，设计了一种基于ZnO的MOSFET器件模型，并得到了工作时的特征曲线。