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电子薄膜材料最佳掺杂含量的理论研究

范志新

  电子薄膜科学在物理学与材料学科中已经形成了一门分支学科。薄膜材料与当代的许多先进科学技术密切相关,所以它的发展非常迅速、应用十分广泛,如电子薄膜、光学薄膜、机械薄膜、防护薄膜、装潢薄膜和节能薄膜等。电子薄膜的研究领域包括高T_c超导薄膜、导电薄膜、电阻薄膜、半导体薄膜、介质薄膜、磁性薄膜、压电薄膜、热电薄膜等。单一的纯净元素组成的电子薄膜材料的性能往往不能满足实际的需要,必须进行掺杂改性。掺杂的作用是多方面的,对薄膜的力学、电学、光学、化学、结构和形貌等性能都会随掺杂材料的种类和掺杂含量而改变。从本质上来讲,掺杂引起杂质能级,能带变化,改变了晶体的载流子浓度,使晶体结构发生畸变等。掺杂对几乎所有电子薄膜材料都是非常必须和十分重要。掺杂改性是功能材料科学研究中的永恒的课题,而确定最佳掺杂含量又是这种研究当中最基本的内容之一。每当一种材料成为研究的热点,都会迅即有对其进行的掺杂剂选择,掺杂方法(即制备技术)的选择比较和确定合理的掺杂含量的大量的相关实验的报道。薄膜研究工作者们已经在实验中积累了丰富的经验,发展了许多新技术,也推动了薄膜物理理论的发展。但是长期以来,人们一直认为最佳掺杂含量问题十分复杂,很难用理论来计算最佳掺杂含量,所以没有用理论计算最佳掺杂含量的研究报道。本工作就是对最佳掺杂含量的理论研究。本工作全面系统地对各种电子薄膜材料掺杂最佳含量的实验结果进行分析,发现普遍性的规律。本研究工作的创新点在于,从薄膜的晶体结构出发,建立起薄膜的物理性能与晶体结构中原子配位数与掺杂原子含量以及薄膜制备方法之间的关系,归纳给出薄膜中外部掺杂的最佳含量理论表达式。以此表达式计算出的掺杂最佳含量值与实验数据相符。本研究首次给出对氧化锌薄膜的铝掺杂最佳含量的理论计算。理论计算值(2.9894wt%)与实验数据结果(2wt%~3wt%)相符合。本研究首次给出对各种制备方法的氧化铟薄膜的锡掺杂最佳含量的理论计算。理论计算值(16wt%、10wt%、6.25wt%、2wt%)与实验数据结果(18wt%、10wt%、5wt%、2wt%)相符合。本研究首次给出对各种制备方法的二氧化锡薄膜的锑掺杂最佳含量的理电子薄膜村料最佳掺杂含量的理论研究论计算。理论计算值(667at%~9刀gat%、4D4at%~5.51at%、2.45at%~3.34at%。1.48at%~Zat%)与实验数据结果(15at%、7mol%、smol%、1.sat%)比较符Ar习 口本研究首次给出对铁电材料钛酸钡薄膜的钾掺杂和铅钛酸铅的Y掺杂最佳含量的理论计算。理论计算值(4.7Wt%)与实验数据结果(3Wt%~SWt%)比较符合。本研究首次给出对电致发光材料硫化锌薄膜的锰掺杂和硅基发光材料饵掺杂最佳含量的理论计算。理论计算值与实验数据结果比较符合。本研究首次给出对气敏材料a-氧化铁薄膜的锡掺杂、二氧化锡钙掺杂和锑掺杂、电热材料碳化硼薄膜的硅掺杂、电致变色材料氧化钨和氧化铝掺杂最佳含量、多种电子陶瓷材料的掺杂最佳含量的理论计算。本研究首次给出对人工晶体锯酸理掺杂、生物医学工程材料的人工骨磷酸三钙锌掺杂和血液相容性材料氧化钛钮掺杂最佳含量的理论计算。理论计算值与实验数据结果相符合。本研究工作对于研究材料掺杂改性,掺杂对材料性能的影响的机理的认识有重要意义。本研究工作开创了一个全新的材料物理理论领域——一掺杂最佳含量的定量计算,具有源头创新的意义。……