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Ⅱ-Ⅲ_2-Ⅵ_4族半导体材料体变模量之计算机模拟研究

作　者: 原世民
导　师: 姜晓庶
学　校: 山西大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 密度泛函体变模量平面波基矢赝势
分类号: O471
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

在过去的几十年间,基于密度泛函理论与平面波赝势方法的第一性原理计算方法对多体系统进行了成功研究,使得第一性原理计算成为当前广泛使用的量子计算近似方法。体变模量是材料的一种重要力学性质,一般来说体变模量越大,越难以压缩。对于Ⅱ-Ⅲ2—Ⅵ4族半导体材料的体变模量,目前基本上没有可以利用的实验数据,因此我们对本族半导体材料的体变模量进行计算机模拟研究。在本论文中,我们利用第一性原理计算了Ⅱ-Ⅲ2—Ⅵ4族半导体材料的体变模量,针对两种可能的结构(DC结构与DF结构)都进行了研究。能量和体积的关系利用Birch-Murnghan’s的状态方程进行拟合。在此基础上扩展了Cohen经验公式。我们发现从Birch-Murnghan’s的状态方程得到的体变模量,体变模量的导数,DC和DF两种结构有类似的变化趋势,体变模量从S到Se再到Te,体变模量在逐渐减小,这主要是由于键长与键能的不同导致的。对于体变模量,我们能够利用的实验数据并不多。最近,D.Errandonea采用高压的X射线散射实验,在高达23GPa的条件下,对ZnGa2Se4材料的结构与相位的改变进行了研究。他们发现,在实际中存在一种有缺陷的黄锡矿结构的物质材料,他们的压强高达15.5GPa,同时,在15.5GPa到18.5GPa的范围下,低压的相位与高压的相位同时存在,相位在高达23GPa的情况下仍然保持稳定。对于具有高压的相位,他们认为它属于有缺陷的NaCl结构的物质结构。对于DFKP结构材料来说,他们得到,B0=47GPa,B’=3.9。对于具有NaCl型结构的材料,他们得到,B0=50GPa,B’=4。通过扩展Cohen提出的计算体变模量的经验公式,我们能够计算含有两种元素的具有闪锌矿结构的物质材料的体变模量。对于具有四面体结构的复杂化合物与合金来说,我们可以通过取最近邻原子的原子间距来扩展经验公式。体变模量B的单位是GPa,最近邻原子的间距d的单位是A。我们注意到,在扩展的经验公式中,四个原子间距中我们只对三个原子间距进行了求和,这主要是由于在Ⅱ-Ⅲ2-Ⅵ4族半导体物质材料的结构中,空位代替了一个成键原子,导致我们只对三个原子间距进行求和。但是由于Ⅱ-Ⅲ2-Ⅵ4族半导体物质材料的结构特性,对原子间距求和之后要乘上一个因子1／4。由于Ⅱ-Ⅲ2-Ⅵ4族半导体物质材料的化学元素的组成特性(在一个原胞中,含有四个第六主族的元素),我们取λ的值为2。从S到Se再到Te,它的体变模量在逐渐减小,这种变化趋势我们比较容易理解,在元素周期表中,随着共价特性的不断减弱,它的体变模量在不断减小。由此可以看出,共价特性对一个物质材料的体变模量的贡献较大,共价特性的减弱,降低了物质材料的体变模量。对于DF与DC结构,从经验公式得出的体变模量具有类似的值。这主要是由于在这两种结构中电子结构与键长类似。用第一性原理计算的体变模量与经验公式计算的体变模量对于DF结构来说,误差较小,对于DC结构误差较大。对DF结构来说,我们可以用经验公式来估计体变模量的值。对于DC结构,我们要谨慎使用经验公式。这些理论结果有待通过实验来验证。

全文目录

中文摘要  8-10
Abstract  10-12
第一章引言  12-27
  1.1 凝聚态物质系统的哈密顿量  12-13
  1.2 Born-Oppenheimer近似  13-14
  1.3 Hartree-Fock近似方法  14-15
  1.4 密度泛函理论  15-21
    1.4.1 Hohenberg and Kohn定理  16-17
    1.4.2 Kohn-Sham方程  17-20
    1.4.3 交换关联泛函  20
    1.4.4 局域密度近似(LDA)  20-21
    1.4.5 广义梯度近似(GGA)  21
  1.5 密度泛函理论中力和能量的计算流程  21-23
  1.6 平面波基矢与赝势  23-25
    1.6.1 模守恒赝势  25
  1.7 ABINIT程序包简介  25-27
第二章 DC结构与DF结构的优化处理  27-34
  2.1 ECUT与K点的收敛测试  27-28
  2.2 两种结构的优化处理  28-34
第三章体变模量的计算  34-44
  3.1 第一性原理对体变模量的计算  34-35
  3.2 体变模量的经验公式  35-40
    3.2.1 体变模量经验公式  35-36
    3.2.2 经验公式计算的体变模量  36-40
  3.3 体变模量的变化趋势分析  40-44
总结与期望  44-46
参考文献  46-49
硕士期间发表的论文  49-50
致谢  50-51
个人简介  51-52

Ⅱ-Ⅲ_2-Ⅵ_4族半导体材料体变模量之计算机模拟研究

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