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半导体物理答案
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Bi2O3是直接带隙半导体还是间接带隙半导体？？
i2O3是直接带隙半导体还是间接带隙半导体？ 希望能给出理由，越详细越好，谢谢~ 如果能给出有关于这个的文献更好
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查看原帖&gt.zhubajie..zhubajie.://g.com/" target="_blank">http://g:
<a href="http：载地址。参考文献光谱分析发现 Bi2O3 为直接带隙半导体
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纳米半导体ZnS的带隙（能隙）是多少？？上下值各是多少？？
纳米半导体ZnS的带隙（能隙）是多少？？上下值各是多少？？如果要选一种有机聚合物与之组成太阳能电池，俯担碘杆鄢访碉诗冬涧需要符合什么条件？？请多给几种有机聚合物的带隙值。谢谢。
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禁带宽度为3.6～3.8俯担碘杆鄢访碉诗冬涧eV
室温下其禁带宽度（带隙Eg）为3.6eV上：3.46eV下：7.06eV 有机聚合物可选P3HT
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ZnS是一种直接带隙的半导体材料，具有闪锌矿和纤锌矿两种结构，禁带宽度为3.6～3.8eV，它具有良好的光电性能，广泛应用于各种光学和光电器件中，如薄膜电致发光显示器件、发光二极管、紫外光探测器件、太阳能电池等。传统的化合物薄膜太阳能电池，一般采用化学浴法制备的CdS薄膜作为缓冲层材料，并且已经获得了较高的电池转换效率。后来人们逐渐意识到CdS是一种对环境和人体有害的材料，要研究制备无污染的太阳能电池就该寻找新的材料作为替代。在以后的研究中人们慢慢发现ZnS是替代CdS的良好的材料。首先，ZnS不含任何有毒元素，满足了人们环保的要求；其次，ZnS(3.6～3.8eV)的禁带宽度比CdS(2.4eV)大得多，用它作缓冲层材料可以使更多的短波区的光照射到吸收层上，有利于获得蓝光区的光谱响应，提高太阳能电池...
直接带隙3.7ev
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出门在外也不愁一般而言我们希望获得的是直接还是间接带隙的半导体？我最近在做二维原子晶体材料，假如能结合这个方向说说就更好了（如单层二硫化钼是直接带隙的而块状是间接带隙的）
一般我们希望获得直接带隙半导体。他们的区别在于价带顶和导带底是否拥有相同的波矢k。直接带隙半导体电子跃迁时不需要释放或吸收声子（即晶格振动），而间接带隙半导体需要。而且声子的能量也是分立的，所以直接带隙半导体更容易跃迁。至于二维材料，MoS2单层是直接带隙的。多层是间接的。据说这个是挺自然的结论。某师兄告诉我，固体物理里可以证明，二维材料如果存在带隙（或者零带隙），总是直接带隙的。然而我并不会证明……希望回答对你有用。有常识性错误的话，笑笑就得了……
正好组里在搞MoS2，不请自来斗胆回答一下楼主的问题。&br&&br&我就从最基本的能带理论讲起吧,可能会有点长，算是给来自不同背景的朋友科普了。对于个别专业术语的英文表述，实在抱歉，因为答主学习相关课程的时候都是在英语国家完成的，所以更习惯用英文表述，虽然我知道它对应的中文单词是什么。还望海涵！&br&&br&好，言归正传。回答什么是indirect bandgap和什么是direct bandgap之前，我们首先得知道bandgap是什么。我们知道一个原子是由原子核与核外电子们组成的中性粒子。而电子们是以一定概率形式分布在类似轨道的核外电子云上的。但是Paul Exclusion Principle告诉我们，相同量子态的电子不能同时出现。因为电子是fermion，它的波函数描述是asymmetric的，做一个asymmetric operation后就会发现，电子波函数消失，也就是说不存在两个相同量子态的电子。如果只考虑到spin这个自由度分为spin-up和spin-down用以区分不同的量子态，那么一个核外电子能级只能容纳两个电子。根据原子核的电荷情况，核外电子遵循Paul Exclusion Principle排布在不同的核外电子能级（Energy Level)上。这是对于一个原子的情况，但是真实情况是即使是只能在显微镜下看到的一小块材料都有数以千亿计的原子。当我们不断加入新的原子也就是说，又更多的电子被引入，从而形成更多的电子能级。当电子能级的数量足够大，电子能级之间的间隙就会变得足够小，这个时候我们就可以认为电子能级是足够稠密的，连续的了。&b&我们把这些足够稠密的电子能级们叫做电子能带(Energy Band). &/b&而固体物理告诉我们，lattice是由许多相同原子通过spatial translation获得的。换句话说，这些原子排布具有spatial periodicity, 而分布在lattice里的电子能感受到来自临近原子核spatial periodic potential的影响。此时，我们不考虑electron-electron coupling或者electron-phonon coupling，就把这个时候的电子当成quasi-free electron。这个时候，我们把这个spatial periodic potential带进薛定谔方程的potential项，然后求解。这个时候就会发现，这个方程的wavefunction解极其类似量子力学中最经典的自由电子在两端束缚potential中的boundary解，也就是wavefunction在boundary上形成了standing wave。而electron的能量解在boundary condition下不连续，有部分能级变低了，有部分能级变高了，没有能级的空白区域（也就是forbidden region)是前面的standing wave的自然解。&b&在固体物理上，我们把这些在boundary的能量差叫做Energy gap,而形成这些解的boundary叫做Brillouin Zone（动量空间描述，也就是空间横坐标变量是动量k，以区别我们实空间描述，空间坐标变量是空间规度 x）。&/b&换句话说，电子被lattice在动量空间的Brillouin Zone boundary散射从而想成了一个能级禁区，禁区内不会有电子能级存在，从而电子也不会以这个能级对应的能量存在。&b&那些已经被电子full filled的band我们称之为Valence Band，而那些没有被电子filled的band我们叫Conducting Band。进一步，我们称 lowest unfilled energy level of conducting band为Conduction Band Minimum(CBM)，称highest filled energy level of valence band为Valence Band Maximum(VBM)。&/b&也就是我们上面提到的导致standing wave的两个能量解对应的能级。有个链接很好，想详细了解操作细节的可以点这里Ref【1】&a href=&/?target=http%3A//www.physics.smu.edu/scalise/P5337fa11/notes/ch07/chapter7.pdf& class=&internal&&http://www.physics.smu.edu/scalise/P5337fa11/notes/ch07/chapter7.pdf&/a&&br&&br&关于Brillouin Zone, 其实直观上的理解就是lattice在动量空间的Fourier Transform.关于如何获得Brillouin Zone, 我们必须得知道lattice的对称性，原子排布，然后找出unit cell，画出unit cell vector。之后再根据unit cell vector，算出reciprocal vector，然后再对reciprocal vector画bisecting line(2D）/bisecting surface(3D), 而这些bisecting stuff围成的区域就是brillouin zone. 而Brillouin Zone的corner或是 middle point都具有高对称性，一般直接对应于CBM或是VBM。好，现在来回答什么是indirect bandgap和direct bandgap。直观上理解就是，direct bandgap对应的过程是：一个电子在动量空间从VBM激发到CBM并不需要phonon (quantized energy of lattice vibration)的参与（也就是不会被lattice vibration scatter)，因为VBM和CBM在动量空间的location一致。而indirect bandgap对应的过程则需要phonon参与，也就是说电子会被lattice scatter，从而放出phonon。而电子一开始是没有momentum的，所以必须引入phonon,因为momentum方向必须满足动量守恒。打个不恰当的比喻，如果你在一栋楼里，从一层到顶层只需要坐电梯垂直起降就好，但是如果你想要到临近楼的话，那你就只能借助楼与楼之间的通道或是横跨电梯了。这里phonon就像这个横跨通道的作用。之前答案已经有人提到，direct bandgap semiconductor有更长的electron-hole recombination lifetime，所以发光效率很高，非常适合做光电器件。这样就是为什么monolayer 2D Transition Metal Dichalgenides(TMDs)能在graphene之后获得巨大关注的原因。&br&&img src=&/4de417da96fc06ad1f39_b.png& data-rawwidth=&592& data-rawheight=&546& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&592& data-original=&/4de417da96fc06ad1f39_r.png&&Ref【2】: &a href=&/?target=http%3A//ned.ipac.caltech.edu/level5/Sept03/Li/Figures/figure8.jpg& class=&internal&&http://ned.ipac.caltech.edu/level5/Sept03/Li/Figures/figure8.jpg&/a&&br&&br&下面主要来讲讲你所关心的MoS2为啥在bulk是indirect bandgap而到了monolayer变成了direct bandgap。monolayer和few-layer,甚至bulk的最大区别就在于，它是纯的2D system，所有的电子都在2D体系内感受到了perpendicular的quantum confinement，而且不再有interlayer coupling存在。这里放张挖坑之作里的图。图中可以看到，在bulk的时候，1.8eV的direct bandgap在Brillouin Zone的K点形成，而与此同时，在 Γ点的v1（VBM)和沿着 Γ-K方向的c1(CBM)形成了一个1.29eV的indirect bandgap。&br&&img src=&/a1fdfe861a71bd74d6b5e9c0643bb32e_b.png& data-rawwidth=&813& data-rawheight=&615& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&813& data-original=&/a1fdfe861a71bd74d6b5e9c0643bb32e_r.png&&Ref【3】： doi: 10.1103/PhysRevLett.105.136805&br&&br&在这个条件下，位于K点垂直于平面的electron&hole的有效质量远超自由电子质量，与此同时在Γ点的v1（VBM)的垂直平面hole有效质量大概是0.4倍自由电子质量和沿着 Γ-K方向的c1(CBM)的垂直平面electron有效质量是0.6倍自由电子质量。我们由k-p effective mass model得知，electron&hole的有效质量和band gap直接相关，也就是说band的curvature越大，effective mass越大，bandgap就开的越大。所以当我们逐渐减少层数，在 Γ点的v1（VBM)和沿着 Γ-K方向的c1(CBM)的有效质量不断增大，因为interlayer coupling逐渐变弱，也就是电子云的overlapping逐渐变弱，然后band的curvature不断变大，最终导致在 Γ点的v1（VBM)和沿着 Γ-K方向的c1(CBM)的bandgap不断增大。因为在K点的electron&hole有效质量远大于自由电子有效质量，所以层数改变，对齐影响不大，所以这里的bandgap基本不变。当MoS2降到monolayer limit的时候，在 Γ点的v1（VBM)和沿着 Γ-K方向的indirect bandgap值要大于在K点的direct bandgap值，这时MoS2就变成了direct bandgap semiconductor.上面还有朋友提到这是一个2D的自然结论，我不太了解这个结论是否已经被DFT理论计算验证，因为类似的分析可以推广到其他2D材料上。&br&&br&
希望我的答案已经回答了你的问题。祝好！&br&&img src=&/cf6d6bdfbb06e_b.png& data-rawwidth=&727& data-rawheight=&664& class=&origin_image zh-lightbox-thumb& width=&727& data-original=&/cf6d6bdfbb06e_r.png&&&br&Ref【4】：&a href=&/?target=http%3A//web.mit.edu/6.730/www/ST04/Lectures/Lecture24.pdf& class=&internal&&http://web.mit.edu/6.730/www/ST04/Lectures/Lecture24.pdf&/a&
正好组里在搞MoS2，不请自来斗胆回答一下楼主的问题。我就从最基本的能带理论讲起吧,可能会有点长，算是给来自不同背景的朋友科普了。对于个别专业术语的英文表述，实在抱歉，因为答主学习相关课程的时候都是在英语国家完成的，所以更习惯用英文表述，虽然…
补充楼上，从效果上说，直接带隙半导体内电子空穴更容易复合，虽然不一定发光，（释放的能量也有可能转成热），但这是高效发光的前提条件。物理上也可以用recombination lifetime，复合寿命，来表征。容易复合，也即载流子的寿命更短。如用作LED发光的氮化镓，载流子寿命为纳秒或更短。&br&硅是间接带隙，载流子寿命在微秒量级，发光效率低到根本不能用来发光。&br&所以说想要直接还是间接，还是看你的application。
补充楼上，从效果上说，直接带隙半导体内电子空穴更容易复合，虽然不一定发光，（释放的能量也有可能转成热），但这是高效发光的前提条件。物理上也可以用recombination lifetime，复合寿命，来表征。容易复合，也即载流子的寿命更短。如用作LED发光的氮化…
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迷途小书童直接带隙半导体与间接带隙半导体的异同
╭⌒°1933____
简单的说直接带隙半导体就是导带最低点和价带最高点在k空间处于同一点的半导体,间接带隙半导体就是它们不处于同一点的半导体.你可以看一下下面的参考资料
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