Universal alignment of hydrogen levels in semiconductors, insulators and solutions

半导体 化学物理 异质结 电介质 材料科学 钝化 带隙 电子结构 氢气储存 纳米技术 计算化学 化学 光电子学 有机化学 图层(电子)
作者
Chris G. Van de Walle,Jörg Neugebauer
出处
期刊:Nature [Springer Nature]
卷期号:423 (6940): 626-628 被引量:1214
标识
DOI:10.1038/nature01665
摘要

Hydrogen strongly affects the electronic and structural properties of many materials. It can bind to defects or to other impurities, often eliminating their electrical activity: this effect of defect passivation is crucial to the performance of many photovoltaic and electronic devices1,2. A fuller understanding of hydrogen in solids is required to support development of improved hydrogen-storage systems3, proton-exchange membranes for fuel cells, and high-permittivity dielectrics for integrated circuits. In chemistry and in biological systems, there have also been many efforts to correlate proton affinity and deprotonation with host properties4. Here we report a systematic theoretical study (based on ab initio methods) of hydrogen in a wide range of hosts, which reveals the existence of a universal alignment for the electronic transition level of hydrogen in semiconductors, insulators and even aqueous solutions. This alignment allows the prediction of the electrical activity of hydrogen in any host material once some basic information about the band structure of that host is known. We present a physical explanation that connects the behaviour of hydrogen to the line-up of electronic band structures at heterojunctions.
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