纳米体系和半导体能源材料的理论研究

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这篇论文主要研究了小团簇的热力学性质,层错纳米线的形成机制和铜基多元半导体的结构,电子,光学和缺陷性质。在第一章,我们建议和使用结合Replica Exchange和Metadynamics的遍历算法研究小型水团簇(HzO)9的热力学性质。我们发现构型熵在这个系统中起着至关重要的作用,它在有限温度下使得次低能量结构变为热力学最稳定结构。在第二章,我们提出了一个生长模型去解释周期层错闪锌矿结构纳米线的形成机制。我们发现,静电能和层错能的竞争起着至关重要的作用。它导致周期性层错的形成。我们还用这个模型解释了,在周期层错闪锌矿结构纳米线中,层错周期与纳米线半径的线性关系。在第三章,通过第一性原理计算方法,我们研究了Cu2Sn(S/Se)3的结构,电子和光学性质并且发现,(1)Cu2SnS3体系稳定的单斜,四方,立方结构都是基于四配位的闪锌矿结构。(2)在这些稳定的结构中,阴离子S近邻情况需满足广义八电子规则。即阴离子S的近邻情况为,Cu3Sn和Cu2Sn2。符合这一规则的结构拥有相近的能量,并导致有限温度下实际体系的长程无序性。(3)Cu2SnS3或kesterite稳定结构的直接带隙分别为0.8-0.9eV和0.4eV。它受到体系长程无序性的微弱影响。在第四章,我们使用第一性原理的计算方法研究了纤锌矿kesterite结构的Cu2ZnXS4(X=Si,Ge,Sn)的本征缺陷性质。我们发现,(1)在这三种结构中,纤锌矿kesterite Cu2ZnSiS4拥有最大的可被化学配比合成的化学势范围。因此,其高质量的单晶较容易被合成。(2)纤锌矿kesterite结构的Cu2ZnXS4(X=Si,Ge,Sn)的缺陷性质与闪锌矿结构的缺陷性质类似。VCu和CuZn是最有可能的主导受主。(3)相比闪锌矿结构体系,纤锌矿kesterite结构的Cu2ZnXS4(X=Si,Ge,Sn)中跃迁能级V Cu(0/-)较深,而跃迁能级VZn(0/-),VZn(0/-2),CuZn(0/-)较浅。这是因为纤锌矿kesterite结构中价带顶p-d耦合较弱。
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