表面修饰和电场对氮化镓薄膜电学性质的调控机理研究

肖美霞 辛海涛 姚婷珍

摘 要：采用第一性原理模拟方法研究表面修饰和电场对氮化镓纳米薄膜电学性质的影响。对于表面镓原子和氮原子分别进行氢化、氟化或氯化得到的氮化镓纳米薄膜（A-GaN-B），当层厚相同时，Cl-GaN-H和Cl-GaN-Cl薄膜的能隙较小，而H-GaN-H和F-GaN-F薄膜的能隙较大。当层厚增加时，相同表面修饰的氮化镓纳米薄膜能隙将逐渐减小，最终由半导体转变为导体。当施加垂直电场时，薄膜能隙将依赖于电场方向呈现线性增加或者降低。该研究结果将会为氮化镓纳米材料应用于纳米电子器件提供重要的理论指导。

关键词：氮化镓纳米薄膜 能隙 表面修饰 电场 第一性原理

中图分类号：O48 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）02（b）-0023-03

大块氮化镓具有很多独特的物理性质，在光学、电学、自旋电子学等领域具有广泛的应用。近期二维纳米薄膜结构及电学等性质备受关注，这是由于其存在较大的表面体积比，表面对其物理和化学性质起着至关重要的作用。发生表面重构的纳米薄膜的能隙将会由表面态所决定的，由此表面修饰对不同厚度纳米薄膜的性质有着重要的调控作用[1]。而电场对二维半导体纳米材料的性质也有重要的调控作用[2]，如完全氢化的锗薄膜在外电场作用下可由导体转变为金属[3]。在该文中，研究表面修饰和电场对氮化镓纳米材料电学性质的调控作用将会为其在新型纳米电子器件领域的发展提供重要的理论指导意义。

1 模拟方法

模拟计算采用基于密度泛函理论的DMol3模块[4]，相关交换函数使用广义梯度近似GGA中PBE方法。核处理方法使用密度泛函理论半核赝势。基本设置使用双数字极化。k点设置为17×17×1。能量收敛公差，最大力收敛和位移分别为1.0×10-5 Ha，0.002 Ha/，和0.005 。

2 模拟结果与数据分析

没有表面修饰的氮化镓纳米薄膜结构优化后，其原子结构为类石墨平面结构，如图1（a）所示；随着层厚的增加，其间接能隙降低量较小（图2）。该研究结果与以前报道的结果一致[1]。对于表面镓原子和氮原子分别进行氢化、氟化或氯化得到的氮化镓纳米薄膜（A-GaN-B），其原子结构示意图如图1（b）所示，Cl-GaN-Cl和Cl-GaN-H薄膜在双层时可转变为导体。而对于H-GaN-H、F-GaN-F及F-GaN-H薄膜，F-GaN-H纳米薄膜在层厚相同时，能隙值最小。由此可见，表面修饰可有效调节不同厚度的氮化镓纳米薄膜的能隙。

对表面修饰的氮化镓纳米薄膜施加垂直电场[见图1（b）]，从B到A方向的电场F为正电场，相反方向的电场为负电场。随着正电场强度的增加，薄膜能隙值将不斷减小，最终由半导体转变为导体；而随着负电场强度的增加，其能隙值将呈现出近乎线性增加。图3以电场对三层F-GaN-H纳米薄膜电学性质调控效果为例来进行说明。没有电场时，F-GaN-H纳米薄膜为直接能隙，能隙值为0.82 eV。当施加正电场时，直接能隙值将会减小，在电场强度达到F =+0.20 V/时，其能级将会贯穿费米面，转变为导体。当施加负电场时，直接能隙值将会增加，当电场强度达到F= -0.30 V/时，其能隙值将会增加到2.18 eV。

表面修饰和电场对氮化镓纳米薄膜能隙有着重要的调控作用，研究发现其能带结构主要由表面吸附的原子来决定。当薄膜厚度层数为两层时，H-GaN-H和H-GaN-F纳米薄膜直接能隙的大小受到表面吸附的H1s和F 2p轨道的调控作用；而H-GaN-Cl纳米薄膜表面的H 1s和Cl 2p轨道贯穿费米面，促使其转变导体。对于两层和三层F-GaN-H纳米薄膜，表面吸附的F 2p轨和H 1s轨道分别对价带顶和导带底起着重要的调控作用，并且表面吸附的氟原子和氢原子的电荷转移和轨道能级伴随薄膜厚度的增加也发生变化，因而能隙随之减小。

图4给出了三层F-GaN-H纳米薄膜在不同电场强度下最高占据态分子轨道图和最低未占据态分子轨道图。研究结果表明，在垂直电场作用下，最低未占据态分子轨道主要占据表面氮原子和其吸附的氢原子；而最高占据态分子轨道主要占据表面氮原子和其吸附的氟原子。这意味着表面修饰和电场促使氮化镓纳米薄膜空穴和电子的输运轨道分离，具有准类型II的能带排列的特点。这将改善载流子的有效工作时间并增强小尺寸半导体纳米薄膜性质。因此，表面修饰和电场提供了一种既经济又有效的方法来改变单一半导体纳米薄膜性质，为其实际应用于纳米电子器件的设计具有重要的意义。

3 结语

当氮化镓纳米薄膜层厚相同时，不同的表面修饰可有效调节其能隙；随着层厚增加时，其能隙将会减小，最终由半导体转变为导体。在电场作用下，能隙将依赖电场的方向，随着电场强度增加而增加或降低。表面修饰和电场促使空穴和电子输运轨道分离，为其应用于纳米电子器件提供重要的理论指导。

参考文献

[1] Tang Qing，Cui Yao， Li Yafei， et al. How do surface and edge effects alter the electronic properties of GaN nanoribbons [J].Journal of Physical Chemistry C， 2011，115（5）：1724-1731.

[2] 董海明.掺杂石墨烯系统电场调控的非线性太赫兹光学特性研究[J].物理学报，2013，62（23）：373-377.

[3] Li Yafei，Che Zhongfang.Tuning electronic properties of Germanane layers by external electric field and biaxial tensile strain：a computational study[J].Journal of Physical Chemistry C，2014，118（2）：1148-1154.

[4] B.Delley.From molecules to solids with the DMol3 approach[J].Journal of Chemical Physics，2000，113（18）：7756-7764.