Инженерия запрещенной зоны — это процесс контроля или изменения ширины запрещенной зоны материала. Обычно это делается с полупроводниками путем контроля состава сплавов, создания слоистых материалов с чередующимся составом или путем создания эпитаксиальной или топологической деформации. Запрещённая зона — это область в твёрдом теле, где не может существовать ни одно электронное состояние. Ширина запрещенной зоны у изоляторов значительно больше, чем у полупроводников. Проводники или металлы имеют гораздо меньшую или вообще отсутствующую запрещенную зону, чем полупроводники, поскольку валентная зона и зона проводимости перекрываются. Управление шириной запрещенной зоны позволяет создать желаемые электрические свойства.
Молекулярно-лучевая эпитаксия — это метод, используемый для создания тонких эпитаксиальных пленок из материалов, от оксидов до полупроводников и металлов. Различные пучки атомов и молекул в среде сверхвысокого вакуума направляются на почти атомарно чистый кристалл, создавая эффект наслаивания. Это разновидность тонкопленочного осаждения . Полупроводники являются наиболее часто используемым материалом из-за их использования в электронике. С помощью MBE возможны такие технологии, как устройства с квантовыми ямами, сверхрешетки и лазеры. Эпитаксиальные пленки полезны благодаря их способности производиться с электрическими свойствами, отличными от свойств подложки, либо с более высокой чистотой, либо с меньшим количеством дефектов, либо с другой концентрацией электрически активных примесей по желанию. [1] Изменение состава материала приводит к изменению ширины запрещенной зоны из-за связывания разных атомов с разной шириной запрещенной зоны.
Полупроводниковые материалы можно изменять, вызывая деформацию из-за регулируемых размеров и форм из-за эффектов квантового ограничения . Больший диапазон перестраиваемой запрещенной зоны возможен из-за высокого предела упругости полупроводниковых наноструктур (Гуэрра, [2] и Гуэрра и Везенов [3] ). Деформация — это отношение удлинения к исходной длине, и ее можно использовать в наномасштабе. [4] [5]
Тулин и Герра (2008) [6] теоретически количественно оценили метод создания деформации, который они использовали для проектирования свойств материала анатаза титана. Они изучили его электронную зонную структуру в диапазоне двухосной деформации, используя как теорию функционала плотности в приближении обобщенного градиента (GGA), так и расчеты теории квазичастиц в приближении GW. Они обнаружили, что модифицированный деформацией материал пригоден для использования в качестве высокоэффективного фотоанода в фотоэлектрохимической ячейке. Они отслеживали изменения ширины запрещенной зоны и эффективных масс носителей заряда в зависимости от полного давления, связанного с напряженной решеткой. И GGA, и GW-приближение предсказывают линейную зависимость между изменением ширины запрещенной зоны и общим давлением, но они обнаружили, что GGA занижает наклон более чем на 57% по сравнению с результатом GW-аппроксимации, составляющим 0,0685 эВ/ГПа.
Нанопроволоки ZnO используются в наногенераторах, полевых транзисторах на основе нанопроволоки , пьезоэлектрических диодах и химических сенсорах. Было проведено несколько исследований влияния деформации на различные физические свойства. Нанопровода ZnO, легированные Sb, испытывают изменение сопротивления при воздействии деформации. Деформация изгиба может вызвать увеличение электропроводности. Деформация также может вызывать изменение транспортных свойств и изменение ширины запрещенной зоны. Путем корреляции этих двух эффектов в ходе экспериментов можно получить изменение транспортных свойств в зависимости от ширины запрещенной зоны. Электрические измерения проводятся с использованием зондовой системы сканирующий туннельный микроскоп-просвечивающий электронный микроскоп . [4]
Когда литографически созданные графеновые ленты удерживают заряд по бокам, это создает энергетическую щель вблизи точки нейтрального заряда. Чем уже ленты, тем больше открываются энергетические щели, что зависит от проводимости , зависящей от температуры . Узкая лента рассматривается как квазиодномерная система, в которой ожидается открытие запрещенной зоны. Отдельные листы графена механически извлекаются из объемных кристаллов графита на кремниевую подложку и контактируют с металлическими электродами Cr/Au. Водородный силсесквиоксан наносится на образцы для формирования маски травления, а затем используется кислородная плазма для травления незащищенного графена. [7]