文档介绍：新疆师范大学
硕士学位论文
砷化硼及砷化铟团簇结构、稳定性和电子性质的理论研究
姓名:刘志锋
申请学位级别:硕士
专业:课程与教学论
指导教师:祝恒江
2011-06-12
中文摘要
III-V 族低维半导体材料,在纳米光电子学、集成电路和纳米器件等方面有
着极为重要的作用。近几十年来,人们在 III-V 族半导体薄膜、超晶格、纳米管
和量子点的实验及理论研究中取得了巨大的进步,但截止目前,对于 III-V 族砷
化硼和砷化铟在 1~200 个原子范围内的研究却很有限。为此,文章采用密度泛
函理论(DFT) 对砷化硼以及砷化铟半导体团簇的几何结构、稳定性和电子性质
进行了研究。
首先,应用密度泛函理论的全电子方法优化得到了 BnAsn (n=1-14)团簇基态
几何结构,并对其稳定性和电子性质做了系统分析。结果表明,当 n=4 时团簇
的基态由二维平面结构过渡到三维立体,当 n > 4 时团簇的基态随尺寸的增加而
形成以 B 原子与 As 原子交替排列的四元环和六元环为结构基元的笼状构型;
具有高对称的富勒笼状结构 B12As12 为最稳定团簇;能隙的取值范围显示 BnAsn
(n=1-14)团簇具有典型的半导体特征;BnAsn (n=1-14)团簇具有较强的分子特性和
共价特性。
其次,采用密度泛函理论下的赝势方法优化得到了五种稳定的 InnAsn
(n=4-90)管状团簇。通过研究发现,它们遵循着有趣的结构衍化规律,所有管状
团簇在结构上都满足共同的分子通式 Inpk/2As pk/2。管状团簇的主要结构单元是两
个相互平行的 p 边形,外加 p 个四元环以及 h 个六元环结构,其中 h、p 和原子
层数 k 满足关系:h=p×(k-2)/2。管状团簇的 HOMO、LUMO 的电子分布特征揭
示了管状结构形成的内在原因,同时它也在微观层面上解释了实验中一维 InAs
纳米材料的生长机理。
最后,以稳定管状团簇的结构为基础,通过搭建原胞,在周期边界条件下
优化得到了无限长 InAs 纳米管的几何结构。结果表明,无限长纳米管具有与管
状团簇极为类似的构型,且能带结构的分析发现不同类型的纳米管都表现出宽
带隙的半导体特征。
研究结果对于深入理解砷化硼团簇以及砷化铟纳米管的结构衍化和电子性
质提供了一定的帮助,为 III-V 族低维半导体材料的进一步实验研究提供可靠的
理论依据。

关键词:砷化硼团簇;砷化铟团簇;密度泛函理论;几何结构;电子性质

I
Abstract
Low-dimension semiconductor materials of the III-V group is playing an
important role in the fields, such as nano-optical electronics, molectron and
nanodevice . For the past decades, theoretic and experimental study about the film,
superlattice, nanotube and quantum dot of the III-V group semiconductor have
achieved a great progress. However, by now, the investigation of boron arsenide and
indium arsenide in 1 to 200 scope of the number of atoms is still very limited.
Therefor, in this paper a study of the geometric, stability and electronic properties of
boron arsenide and indium arsenide clusters, have been carried by density functional
theory (DFT).
First of all, the investigation of the lowest-energy structures, stabilities and
electronic properties of BnAsn clusters (n=1-14) have been presented by means of the
density-functional theory. The results