1. 研究目的与意义（文献综述）

目前，关于半导体薄膜在外电场调控下的物性变化和微观机理研究已有一定进展，但是在这方面的理论研究仍然十分有限，并且大多数工作是基于过渡金属氧化物的薄膜很多问题还需要从理论角度进行深入探讨和分析，如何通过电场调控氧化物半导体薄膜的物理性质，揭示其物理过程和变化规律，以及深入探索这一物理现象的本质等等，都是凝聚态物理、微电子领域以及材料科学亟待解决的问题。因此,开展这方面的理论研究，将会为发展和设计新型量子器件提供理论支持，具有重要的基础意义和广泛应用前景。

关于半导体薄膜在外电场存在的条件下，其导电性、磁性、输运性质、自旋极化、相变等物理问题，国内外科研人员从理论和实验上都开展了一些相关工作，但大多数研究是基于过渡金属氧化物的薄膜。例如: 具有磁性的铁电材料homno₃薄膜，在电场作用下由磁电效应引起的磁性相变；bifeo₃表面在外电场调控下，由自旋-轨道耦合效应引起的磁电效应实验测试和理论分析；通过电场调控sr_0.88la_0.12cuo_{2 x}薄膜的电阻等研究都陆续见诸报道。国内的一些研究机构，如：香港大学物理系的高炬教授课题组对la_0.8ca_0.2mno_3-δ薄膜在外电场调控下的开关效应进行了相关实验测试和分析，结果表明含有氧缺陷的la_0.8ca_0.2mno_3-δ薄膜对外电场的调控响应极其灵敏，当外电场增加到一定值时，出现了庞电致电阻效应。苏州大学物理系的科研团队采用landau-ginsburg-devonshire理论对srtio₃薄膜在外电场作用下的介电常数、电极化、应变等物理量进行了唯象模型理论计算，并给出了其随外电场的变化关系。国际上，2008年，瑞士、法国和德国的科学家caviglia等人在实验中发现laalo₃/srtio₃ 界面结构在外电场的调控下会发生量子相变，由于外电场不同导致载流子密度的不同，使得laalo₃/srtio₃ 界面结构具有超导电性和绝缘性相互转换的开关效应。因此，可以利用外电场来调控其输运性质，为新型场效应设备的诞生提供了重要的依据。相关结果发表在nature上；2013年，美国橡树岭国家实验室的kalinin和瑞士的spaldin在science上发表论文，指出由于在过渡金属氧化物半导体中存在强关联效应，系统中的每个电子都会影响其它电子的响应，使得其在外电场的进一步作用下表现出诸如超导电性等奇特的物理性质。另外，由于过渡金属氧化物的半导体薄膜容易形成氧缺陷，而这种缺陷往往带电，因而使其对外电场的调控响应比较灵敏，所以可以通过外电场有效调控其宏观物性。同时，作者指出随着实验手段和第一性原理方法的逐步发展，精确的描述和揭示半导体薄膜在外电场作用下的新奇物理性质成为可能。综上所述，半导体薄膜在外电场作用下的宏观物性变化及微观机理研究已经成为当今物理、材料和微电子等领域的热点之一。

通过研究一些典型的氧化物半导体薄膜在外电场调控下的原子构型、电荷转移、自旋状态、以及能带结构等物理问题，探索外电场对其宏观性能作用的深层物理机制，揭示外电场对其稳定性、磁性、导电性以及结构相变等性质的作用规律。

2. 研究的基本内容与方案

通过模拟、计算一些典型的氧化物半导体薄膜（如: zno、cdo、掺杂的zno薄膜cdxzn1-xo、vxzn1-xo等）或其多层膜异质结构，研究外加电场调控其带隙的物理机制，探寻其导电性-绝缘性相互转换的宏观规律，为实验提供必要的指导和论证。同时，开展相关实验制备和测试，力求理论与实验相结合。

理论模拟和计算，主要是采用基于密度泛函理论的第一性原理方法。对强关联体系（针对纤锌矿结构的过渡金属氧化物半导体薄膜）还需结合hubbard理论（lda u）来处理。在这一理论框架下，根据其对势函数及内层电子处理方法的不同，主要分为两类：全电势方法和赝势方法。可采用的软件有：wien2k, vasp, quantum-espresso等。

赝势方法在处理电子结构方面引入了近似，计算速度快，但是计算精度相对较低，特别是在处理二维系统时，要加上一定厚度的真空层来模拟表面或界面结构。在这种情况下，第一性原理方法中所采用的周期性边界条件由于引入了相邻原胞之间的相互作用，又会在一定程度上带来误差，同时延长了计算时间。针对这一问题，我们已经在开源的量子化学软件quantum-espresso的基础上对源程序进行了部分修改，将其在计算晶体结构时所采用的周期性边界条件改为开放性边界条件来处理低维系统（如：表面、界面、纳米线、量子点）。修改以后的程序消除了周期性边界条件中引入的原胞之间的相互作用，计算结果更加精确，计算效率得到提高。但是这部分的工作还不能处理涉及外电场的系统，所以，我们准备在前期工作的基础上，考虑外加电场的作用，来进一步研究这些薄膜在外电场调控下的物性变化和微观机理。

3. 研究计划与安排

第1-3周：文献调研：搜集相关文献及书籍，调查半导体薄膜的性质，国内外关于半导体薄膜的研究现状。第一性原理计算方法的研究现状，计算原理、优缺点等；

第4-7周：整理思路，确定材料：分析半导体薄膜的结构性质，第一性原理计算的优缺点，使用何种计算方法，确定出计算思路，为建模以及计算做准备；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] j.s.lee, k.y.shin, o.j.cheong, j.h.kimand j.jang, “highly sensitive and multifunctional tactile sensor usingfree-standing zno/pvdf thin film with graphene electrodes for pressure andtemperature monitoring”, sci. rep. 5, 7887 (2015).

[2] j.simon, v.protasenko, c.lian, h.xingand d.jena, “polarization-induced hole doping in wide–band-gap uniaxialsemiconductor heterostructures”, science 327, 60 (2010).

[3] n.han, t.v.cuong, m.han, b.d.ryu,s.chandramohan, j.b.park, j.h.kang, y.j.park, k.b.ko, h.y.kim, h.k.kim,j.h.ryu, y.s.katharria, c.j.choi and c.h.hong, “improved heat dissipation ingallium nitride light-emitting diodes with embedded graphene oxide pattern”,nat. comm. 4, 1452 (2013).