温度引起的半导体能带结构和输运性质的重整化：电-声子相互作用效应

Temperature plays a crucial role in the performance of semiconductor materials, while at present first-principles density functional theory does not take the temperature effect into account in calculations. Temperature in one hand could enhance the electron-phonon interactions, and on the other hand, could induce the lattice expansion. Both could lead to the changes of the electronic structural properties of a material and the electron and phonon transport properties. Therefore, in this project, we plan to investigate the effect of electron-phonon interactions and thermal expansions on the energy band renormalizations of semiconducting materials at finite temperatures. We will also study the effect of temperature-induced band renormalizations on the transport properties. We will mainly focus on the traditional groups III-V and IV-VI semiconductors, as well as some novel layered structure materials, for example, transition metal dichalcogenides, black phosphorus, and so on. We will deeply discuss the influence of temperature on the photoelectric properties of these materials. We expect to find out some basic physical laws, and therefore offer a guide from the theoretical point of view for designing high-performance photoelectric devices.

温度会影响半导体材料的性能。而目前基于密度泛函理论的第一性原理方法在计算过程中并没有考虑温度的影响。温度最为直接的两个效应就是会导致材料中电-声子相互作用的加强和晶格膨胀。这些效应显然会对材料的电子结构及电、声子的输运性质产生影响。因此，在本项目中，我们拟计划研究在有限温度下电-声子相互作用以及热膨胀对半导体能带的重整化效应，同时考虑温度引起的能带重整化对材料输运性质的影响。我们将主要聚焦在一些传统的如III-V和IV-VI族半导体材料，以及一些新颖的具有层状结构材料如过渡金属硫化物、黑磷等。我们将深入的探讨温度对这些材料的光电性质的影响，希望找出一些基本的物理规律，为设计性能更加优异的半导体光电器件提供理论指导。

温度会显著影响着材料的物性。本项目针对温度引起半导体材料电子结构的重整化中存在的一些关键问题，围绕温度对半导体材料的电导，迁移率，热导，塞贝克系数，缺陷与掺杂及光学性质产生的影响展开了研究。自项目立项以来，严格按计划执行，取得了一系列创新性成果，具体为：澄清了传统半导体材料低温时存在的负膨胀效应的物理根源；阐述了温度对半导体材料能带及能隙影响的具体类型；解释了电-声子耦合对铜化合物超低晶格热导率的贡献，并通过温度依赖的拉曼光谱测量得到了进一步证实；发现了优化层状材料的电导率和导热率的有效策略；揭示了温度效应、扩散效应、维度效应影响半导体能带结构的关键因素；研究和总结了薄膜太阳能电池材料中基本电学和缺陷性质；研究了温度等导致卤化物钙钛矿稳定性差的主要因素；对新型层状半导体的电子结构、缺陷性质和电输运性质展开了系统研究；提出了通过表面分子修饰实现磁性半导体的可控金属-绝缘体转变具体策略。在该项目的支持下，共发表论文21篇，这其中包括Nat. Commun. 1 篇，Phys. Rev. B 3篇，Phys. Rev. Applied 1 篇，Nano. Lett. 1 篇，Appl. Phys. Lett. 3篇。获批软件著作权1项。在人才培养方面，项目执行以来，培养博士后2人，博士生2名，研究生1名。在该项目的支持下，项目成员多次在参加国内外学术会议并做报告。总之，该项目自成立以来严格按计划书执行，完成了预定的研究内容，达到了预期研究目标，取得了预期的研究成果。