1、第四章光電納米薄膜的能帶結構和電學性質第四章光電納米薄膜的能帶結構和電學性質引言電子的輸運（電子的躍遷）電學能帶理論光學磁性引言電子的輸運（電子的躍遷）電學能帶理論光學磁性導體：價帶是導帶或等效導帶導帶滿帶滿帶空帶滿帶空帶重疊相連絕緣體：只有滿帶和空帶，且禁帶寬度較大滿帶空帶禁帶例如金剛石中兩個碳原子相距15納米時，Eg=5.33電子伏。 導體：價帶是導帶或等效導帶導帶滿帶滿帶空帶滿帶空帶重疊相連絕半導體：價帶是滿帶，但是禁帶寬度較小導體、半導體、絕緣體的不同，主要是能帶結構不同滿帶空帶禁帶例如硅Eg=1.14電子伏，鍺Eg=0.67電子伏，砷化鎵Eg=1.43電子伏。 金屬導電與半導體導電的

2、差別：金屬導電的載流子是自由電子，半導體導電的載流子是導帶中的電子和價帶中的空穴。半導體：價帶是滿帶，但是禁帶寬度較小導體、半導體、絕緣體的不能帶理論能帶理論是目前研究固態材料中電子運動的一個主要基礎理論。是在量子力學規律確定以后，在用量子力學研究金屬電導理論過程中發展起來的。能帶理論能帶理論是目前研究固態材料中電子運動的一個主要基礎理1、單電子近似復雜性起源：多體問題http:/www.upscale.utoronto.ca/GeneralInterest/Harrison/Flash/Chaos/ThreeBody/ThreeBody.html1、單電子近似體系性質價電子+體系性質價電子+

3、Born-Oppenheimer絕熱近似：同時也被稱為定核近似，它是由奧本海默和他的導師玻恩在1927年共同提出的。核心：分子系統中核的運動與電子的運動可以分離。研究電子運動的時候可以近似的認為原子核是靜止不動的，而研究原子核的運動時則不需要考慮空間中電子的分布。Born-Oppenheimer絕熱近似：同時也被稱為定核近原子核體系：決定材料中聲波的傳波、熱膨脹、晶格比熱、晶格熱導率和晶格缺陷等體系中離子（原子）實運動由經典Newton運動方程所描述周期排列的離子（原子）實的行為可以通過晶格動力學來處理，通過聲子描述其物理性質原子核體系：電子體系：電子體系的薛定諤方程決定著材料的電導率、金屬的

4、熱導率、超導電性、能帶結構和磁學性能等等。電子體系：電子體系的薛定諤方程決定著材料的電導率、金屬的熱導我們期望體系的哈密頓量則薛定諤方程為我們期望體系的哈密頓量單電子周期勢場示意圖Hartree自洽場近似密度泛函理論局域密度近似準粒子近似單電子周期勢場示意圖能帶形成的微觀解釋:外層電子共有化+能帶形成的微觀解釋:外層電子共有化+原子結合成晶體時晶體中電子的共有化運動+原子結合成晶體時晶體中電子的共有化運動布里淵區與能帶第一布里淵區實際上就是晶格的倒格子的Wigner-Seitz原胞布里淵區與能帶第一布里淵區實際上就是晶格的倒格子的Wigne每個布里淵區經過適當的平移之后和第一布里淵區重合每個布

5、里淵區經過適當的平移之后和第一布里淵區重合布里淵區：布里淵區邊界描述了晶體周期性邊界（勢場）對電子作用。電子先填充低能級，對應等能面離布里淵區邊界遠，不受周期場的影響，是球面；但隨著電子依次向高能級填充，對應等能面接近布里淵區邊界，受周期場的影響，發生變形；等能面與布里淵區邊界相交時。形成不連續能帶。布里淵區：光電納米薄膜的能帶結構和電學性質課件 三維和一維存在一個重要的區別，即不同能帶在能量上不一定分隔開，而可能發生能帶之間的交疊。如下圖， 三維和一維存在一個重要的區別，即不同能帶在能量上不一原子能級與能帶最簡單情況能級能帶Espf原子能級與能帶最簡單情況能級能帶Espf當有N個相同的自由原

6、子時，每個原子內的電子有相同的分立的能級，它們是N重簡并的，當這N個原子逐漸靠近時，原來束縛在單原子中的電子，不能在一個能級上存在（違反泡利不相容原則）從而只能分裂成N個非常靠近的能級（10-22ev），因為能量差甚小，可看成能量連續的區域，稱為能帶。當有N個相同的自由原子時，每個原子內的電子有相同的分立的能級薄膜的能帶結構金屬與半導體接觸EfEcE金屬半導體薄膜的能帶結構金屬與半導體接觸EfEcE金屬半導體半導體N型半導體P型半導體載流子的不同 外場作用非平衡態載流子半導體N型半導體P型半導體載流子的不同 外場作用非平衡態載流Ag-Cs2O薄膜的能帶結構AgAgAgCs2OAg-Cs2O薄膜

7、的能帶結構AgAgAgCs2O光電納米薄膜的能帶結構和電學性質課件Ag-BaO薄膜的能帶結構Ag-BaO薄膜與Ag-Sc2O薄膜的結構類似，適用于探索超短激光脈沖的光電功能薄膜。Ag-BaO薄膜的能帶結構Ag-BaO薄膜與Ag-Sc2O薄負電子親和勢當薄膜表面存在雜質原子時，對表面電子的親和勢會產生影響，如雜質給出電子，則稱為n型表面雜質，若接受電子，則稱為，p型表面雜質。負電子親和勢當薄膜表面存在雜質原子時，對表面電子的親和勢會產當p型半導體表面存在n型表面雜質時，表面雜質原子給出電子而帶正電，半導體薄膜接收電子而帶負電，表面能帶向下彎曲，薄膜材料表面的有效電子親和勢下降，有利于電子逸出表面進入真空，即有利于光電發射。當p型半導體表面存在n型表面雜質時，表面雜質原子給出電子而帶彎曲區域越窄，光電子更能穿過這一區域，從表面逸出表面P型摻雜濃度大些，表面n型表面雜質彎曲區域越窄，光電子更能穿過這一區域，從表面逸出表面P型摻雜GaAs-Cs2O負電子親和勢光電發射薄膜結構：在GaAs表面制備一層n型Cs2O，在Cs2O表面在制備單原子Cs層能帶結構： GaAs/Cs2O異質結結構使界面處能帶向下彎，Cs為Cs2O又提供了電子，界面處能帶進一步向下彎GaAs-Cs2O負電子親和勢光電發射薄膜超晶格的能帶結構超晶格薄膜的結構及其能帶特點：1）多層薄膜，一般在十層以上，薄膜界面對薄