Journal of Applied Physics

Một dạng thức Lagrangian mới được giới thiệu. Nó có thể được sử dụng để thực hiện các phép tính động lực học phân tử (MD) trên các hệ thống dưới các điều kiện ứng suất bên ngoài tổng quát nhất. Trong dạng thức này, hình dạng và kích thước của ô MD có thể thay đổi theo các phương trình động lực học do Lagrangian này cung cấp. Kỹ thuật MD mới này rất phù hợp để nghiên cứu những biến đổi cấu trúc trong chất rắn dưới ứng suất bên ngoài và ở nhiệt độ hữu hạn. Như một ví dụ cho việc sử dụng kỹ thuật này, chúng tôi cho thấy cách mà một tinh thể đơn của Ni cư xử dưới tải trọng nén và kéo đồng nhất. Công trình này xác nhận một số kết quả của các phép tính tĩnh (tức là, nhiệt độ bằng không) đã được báo cáo trong tài liệu. Chúng tôi cũng chỉ ra rằng một số kết quả liên quan đến mối quan hệ ứng suất-biến dạng thu được từ các phép tính tĩnh là không hợp lệ ở nhiệt độ hữu hạn. Chúng tôi nhận thấy rằng, dưới tải trọng nén, mô hình của chúng tôi đối với Ni cho thấy một điểm phân nhánh trong mối quan hệ ứng suất-biến dạng; điểm phân nhánh này cung cấp một liên kết trong không gian cấu hình giữa sự đóng gói lập phương và đóng gói gần hình lục giác. Chúng tôi gợi ý rằng một sự chuyển biến như vậy có thể được quan sát thực nghiệm dưới các điều kiện sốc cực đoan.

Để tìm ra giới hạn lý thuyết tối đa cho hiệu suất của các bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời tiếp giáp p-n, một hiệu suất giới hạn, được gọi là giới hạn cân bằng chi tiết của hiệu suất, đã được tính toán cho một trường hợp lý tưởng trong đó cơ chế tái hợp duy nhất của các cặp điện tử - lỗ là phát xạ, như yêu cầu bởi nguyên tắc cân bằng chi tiết. Hiệu suất cũng được tính cho trường hợp mà tái hợp phát xạ chỉ là một phần nhất định fc của tổng tái hợp, phần còn lại là không phát xạ. Hiệu suất tại các tải phù hợp đã được tính toán với khoảng cách vùng năng lượng và fc là các tham số, với giả định rằng ánh sáng mặt trời và tế bào đều là các vật thể đen với nhiệt độ lần lượt là 6000°K và 300°K. Hiệu suất tối đa được tìm thấy là 30% cho khoảng cách năng lượng là 1.1 eV và fc = 1. Các tiếp giáp thực tế không tuân theo mối quan hệ dòng điện - điện áp được dự đoán, và các lý do cho sự khác biệt này cũng như mối liên hệ của nó với hiệu suất được thảo luận.

Vật liệu bán dẫn ZnO đã thu hút được sự quan tâm đáng kể trong cộng đồng nghiên cứu một phần vì năng lượng liên kết exciton lớn của nó (60meV), có thể dẫn đến hành động phát las dựa trên sự tái hợp của exciton ngay cả ở nhiệt độ phòng. Mặc dù nghiên cứu tập trung vào ZnO đã có từ nhiều thập kỷ trước, sự quan tâm mới được thúc đẩy bởi sự sẵn có của các loại nền chất lượng cao và những báo cáo về sự dẫn điện kiểu p và hành vi ferromagnetic khi được dop với các kim loại chuyển tiếp, cả hai đều vẫn còn gây tranh cãi. Chính sự quan tâm mới này đối với ZnO là cơ sở cho bài đánh giá này. Như đã đề cập, ZnO không phải là một chất mới trong lĩnh vực bán dẫn, với các nghiên cứu về tham số mạng của nó có từ năm 1935 bởi Bunn [Proc. Phys. Soc. London 47, 836 (1935)], nghiên cứu về tính chất dao động của nó qua tán xạ Raman vào năm 1966 bởi Damen và các đồng sự [Phys. Rev. 142, 570 (1966)], các nghiên cứu quang học chi tiết vào năm 1954 bởi Mollwo [Z. Angew. Phys. 6, 257 (1954)], và sự phát triển của nó bằng phương pháp vận chuyển hơi hóa học vào năm 1970 bởi Galli và Coker [Appl. Phys. Lett. 16, 439 (1970)]. Về các thiết bị, rào cản Au Schottky vào năm 1965 bởi Mead [Phys. Lett. 18, 218 (1965)], sự minh chứng về diốt phát sáng (1967) của Drapak [Semiconductors 2, 624 (1968)], trong đó Cu2O được sử dụng làm vật liệu loại p, cấu trúc kim loại-cách điện-bán dẫn (1974) bởi Minami và các đồng sự [Jpn. J. Appl. Phys. 13, 1475 (1974)], tiếp giáp n-p ZnO∕ZnSe (1975) của Tsurkan và các đồng sự [Semiconductors 6, 1183 (1975)], và tiếp xúc Ohmic Al∕Au bởi Brillson [J. Vac. Sci. Technol. 15, 1378 (1978)] đã đạt được. Rào cản chính cho sự phát triển của ZnO là sự thiếu hụt các lớp p-type ZnO có khả năng tái tạo và điện trở thấp, như đã được đề cập gần đây bởi Look và Claflin [Phys. Status Solidi B 241, 624 (2004)]. Trong khi ZnO đã có nhiều ứng dụng công nghiệp nhờ vào các thuộc tính áp điện và băng tần của nó trong vùng cực tím gần, ứng dụng của nó trong các thiết bị quang điện tử vẫn chưa được hiện thực hóa chủ yếu do sự thiếu vắng các lớp epitaxy kiểu p. Những gì từng được gọi là các sợi và phiến chất lượng rất cao, tên gọi mà đã nhường chỗ cho các cấu trúc nano gần đây, đã sớm được chế tạo và sử dụng để suy luận về nhiều thuộc tính chính của vật liệu này, đặc biệt là về các quá trình quang học. Đề xuất về việc đạt được dẫn điện kiểu p trong vài năm qua đã khơi dậy lại sự nhiệt huyết lâu dài, mặc dù đã ngủ quên, trong việc khai thác vật liệu này cho các ứng dụng quang điện tử. Sự hấp dẫn này có thể được quy cho năng lượng liên kết exciton lớn 60meV của ZnO, tiềm năng mở đường cho các thiết bị phát sáng dựa trên exciton hiệu quả ở nhiệt độ phòng, và các chuyển tiếp sắc nét tạo điều kiện cho các laser bán dẫn có ngưỡng rất thấp. Lĩnh vực này cũng được thúc đẩy bởi các dự đoán lý thuyết và có thể là sự xác nhận thực nghiệm về sự ferromagnetism ở nhiệt độ phòng cho các ứng dụng spintronics tiềm năng. Bài đánh giá này cung cấp một cuộc thảo luận chi tiết về các thuộc tính cơ học, hóa học, điện, và quang học của ZnO, bên cạnh các vấn đề công nghệ như tăng trưởng, khuyết tật, dop kiểu p, kỹ thuật băng tần, thiết bị, và cấu trúc nano.

Sự lún của đất dưới tải trọng được gây ra bởi một hiện tượng được gọi là sự nén, cơ chế của nó được biết đến trong nhiều trường hợp là giống với quá trình ép nước ra khỏi một môi trường xốp đàn hồi. Các hệ quả vật lý toán học của quan điểm này được thiết lập trong bài báo này. Số lượng các hằng số vật lý cần thiết để xác định các đặc tính của đất được suy ra cùng với các phương trình tổng quát để dự đoán sự lún và ứng suất trong các bài toán ba chiều. Một số ứng dụng đơn giản được đưa ra làm ví dụ. Giải tích toán học được chứng minh là một phương pháp mạnh mẽ để giải quyết các vấn đề về sự nén.

Chúng tôi trình bày một tổng hợp chi tiết và cập nhật về các thông số dải cho các bán dẫn hợp chất III–V có cấu trúc tinh thể zinct blende và wurtzite, bao gồm: GaAs, GaSb, GaP, GaN, AlAs, AlSb, AlP, AlN, InAs, InSb, InP, và InN, cùng với các hợp kim bán dẫn ternary và quaternary của chúng. Dựa trên việc xem xét lại tài liệu hiện có, chúng tôi cung cấp các bộ thông số đầy đủ và nhất quán cho tất cả các vật liệu. Nhấn mạnh vào các thông số cần thiết cho các tính toán cấu trúc vùng, chúng tôi lập bảng các khe năng lượng trực tiếp và gián tiếp, các phân tách do spin-quỹ đạo và trường tinh thể, các tham số bifurcation của hợp kim, các khối lượng hiệu dụng cho điện tử, lỗ trống nặng, nhẹ, và lỗ tách, các tham số Luttinger, các yếu tố ma trận động lượng liên dải, và các tiềm năng biến dạng, bao gồm các phụ thuộc nhiệt độ và thành phần hợp kim khi có thể. Các sự lệch dải heterostructure cũng được cung cấp, trên một tỷ lệ tuyệt đối cho phép bất kỳ vật liệu nào có thể được cân chỉnh so với bất kỳ vật liệu nào khác.

Việc diễn giải một số hiện tượng xảy ra trên bề mặt phẳng, trong tình trạng tiếp xúc tĩnh hoặc trượt, phụ thuộc vào phân bố giả định của diện tích tiếp xúc thực giữa các bề mặt. Vì có rất ít bằng chứng trực tiếp để dựa vào việc ước lượng phân bố này, phương pháp sử dụng là xây dựng một mô hình đơn giản và so sánh lý thuyết suy diễn được (ví dụ, phụ thuộc của các quan sát thực nghiệm vào tải trọng) với bằng chứng thực nghiệm. Các kết luận chính như sau. (a) Điện trở tiếp xúc điện phụ thuộc vào mô hình được sử dụng để đại diện cho các bề mặt; mô hình thực tế nhất là khi tăng tải trọng sẽ làm tăng cả số lượng và kích thước của các vùng tiếp xúc. (b) Nói chung, sự mài mòn cơ học cũng nên phụ thuộc vào mô hình. Tuy nhiên, trong các thí nghiệm mài mòn thể hiện hành vi đơn giản nhất, tỷ lệ mài mòn tỷ lệ với tải trọng, và các kết quả này có thể được giải thích bằng cách giả định rằng các cục bám dính tại các vùng tiếp xúc được hình thành do biến dạng dẻo bị loại bỏ; hơn nữa, suy diễn đặc biệt này độc lập với mô hình giả định. Điều này gợi ý rằng một giả định cơ bản của các lý thuyết trước đây, rằng việc tăng tải trọng làm tăng số lượng tiếp xúc mà không ảnh hưởng đến kích thước trung bình của chúng, là thừa.

Nhiều hệ thống vật liệu hiện đang được xem xét như là những ứng cử viên tiềm năng để thay thế SiO2 làm vật liệu điện môi cổng cho công nghệ bán dẫn metal-oxide–semiconductor (CMOS) dưới 0,1 μm. Việc xem xét hệ thống các tính chất cần thiết của điện môi cổng cho thấy rằng các hướng dẫn chính để chọn một chất thay thế điện môi cổng là (a) độ điện môi, khoảng cách năng lượng, và sự liên kết băng với silicon, (b) tính ổn định nhiệt động học, (c) hình thái lớp phim, (d) chất lượng giao diện, (e) sự tương thích với các vật liệu hiện tại hoặc dự kiến sẽ được sử dụng trong quá trình chế tạo các thiết bị CMOS, (f) khả năng tương thích quy trình, và (g) độ tin cậy. Nhiều loại điện môi có vẻ thuận lợi trong một số lĩnh vực này, nhưng rất ít vật liệu hứa hẹn đáp ứng tất cả các hướng dẫn này. Một bài tổng quan về công việc hiện tại và tài liệu trong lĩnh vực điện môi cổng thay thế được đưa ra. Dựa trên các kết quả đã báo cáo và những cân nhắc cơ bản, các hệ thống vật liệu giả nhị phân cung cấp sự linh hoạt lớn và cho thấy triển vọng nhất trong việc tích hợp thành công vào các điều kiện chế biến dự kiến cho các công nghệ CMOS tương lai, đặc biệt do xu hướng của chúng trong việc hình thành ở giao diện với Si (ví dụ: silicat). Những hệ thống giả nhị phân này cũng cho phép sử dụng các vật liệu có hệ số điện môi cao khác bằng cách đóng vai trò như một lớp điện môi cao ở giao diện. Mặc dù công việc vẫn đang tiếp diễn, nhưng còn nhiều nghiên cứu vẫn cần thiết, vì rõ ràng rằng bất kỳ vật liệu nào muốn thay thế SiO2 làm điện môi cổng đều phải đối mặt với một thách thức lớn. Các yêu cầu về khả năng tương thích tích hợp quy trình đòi hỏi rất cao, và bất kỳ ứng cử viên nghiêm túc nào cũng chỉ có thể xuất hiện thông qua việc điều tra tiếp tục, sâu rộng.

Một kỹ thuật thực nghiệm sử dụng bột được mô tả, cho phép phân loại nhanh chóng các loại vật liệu theo

(a) độ lớn của các hệ số quang phi tuyến so với chuẩn thạch anh tinh thể, và

(b) sự tồn tại hoặc không tồn tại của hướng phù hợp pha cho sự tạo ra hài bình phương thứ hai.

Kết quả được trình bày cho một số lượng lớn chất vô cơ và hữu cơ bao gồm dữ liệu tinh thể đơn về sự tạo ra hài bình phương thứ hai phù hợp pha trong HIO3, KNbO3, PbTiO3, LiClO4·3H2O, và CO(NH2)2. Axit iodic (HIO3) có hệ số phi tuyến d14∼1.5×d31 LiNbO3. Vì nó có thể dễ dàng được trồng từ dung dịch nước và không hiện diện các hiệu ứng hỏng hóc quang, vật liệu này nên hữu ích cho các ứng dụng trong thiết bị phi tuyến.

Các phương trình vi phân tích phân tích biên độ trong lý thuyết đàn hồi không cục bộ được giản lược thành các phương trình vi phân riêng rẽ đặc biệt cho một lớp hạt nhân vật lý chấp nhận được. Các nghiệm được tìm thấy cho dị thường xoắn và sóng bề mặt. Quan sát thực nghiệm và động lực học lưới nguyên tử dường như hỗ trợ rất tốt cho các kết quả lý thuyết.

Đã thực hiện một tổng hợp mới, dựa trên việc tìm kiếm tài liệu cho giai đoạn 1969–1976, về dữ liệu thí nghiệm liên quan đến hàm năng lượng. Đối với 44 nguyên tố này, các giá trị ưa thích được lựa chọn dựa trên điều kiện thí nghiệm hợp lệ. Các giá trị cũ hơn, được chấp nhận rộng rãi, được đưa ra cho 19 nguyên tố khác mà không có tài liệu gần đây, và được xác định như vậy. Trong dữ liệu cho 63 nguyên tố, các xu hướng xảy ra đồng thời trong cả các cột và hàng của bảng tuần hoàn được chỉ ra là hữu ích trong việc dự đoán các giá trị chính xác và cũng để xác định dữ liệu nghi ngờ. Một số ví dụ minh họa được đưa ra, bao gồm việc xác thực các dự đoán được công bố vào năm 1950.