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稀土和几种典型半导体材料的价电子结构和物性

作　者: 王义
导　师: 郭永权
学　校: 华北电力大学（北京）
专　业: 材料学
关键词: EET 价电子结构结合能熔点带隙
分类号: O471
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

半导体材料在信息通讯领域具有广泛的应用,成为国际学术届非常活跃的研究热点之一。近年发现半导体材料具有光—电能量转换特征,在太阳能方面应用具有潜在应用。本文在前人实验和理论工作基础之上,应用《固体与分子经验电子理论》系统研究了半导体材料在电输运和能量转换过程中的电子结构、体系的能量及物理性能,揭示其基本的机理。获得的主要结果如下所示：1.半导体材料Si、Ge的研究表明：它们的价电子杂化态都处于第6阶,共价电子对数：nc=0.97,泡令作用系数：β=0.71。基于价电子结构计算结果,计算得两种元素的结合能分别为464 kJ/mol和384 kJ/mol,与实验值446 kJ/mol和372 kJ/mol相符。2.稀土Gd和Tb元素的价电子结构和物理性能的研究表明：在不考虑4f电子的情况下,计算结果显示：Gd和Tb原子的s,p,d电子分布相似,这可以用于解释它们具有相近的物理性能。结合能计算显示Tb原子的计算值与实验值的相对误差理论值明显高于Gd原子,这表明Tb原子的4f电子更易成键,故对于结合能有贡献。从两种原子的单原子的轨道稳定性来看,Gd的单原子态符合洪特半满规则特例,故相对于Tb原子来说,不易成键。熔点计算结果与实验符合很好,这说明4f电子对于Gd和Tb的熔点基本上无影响。这归于高温磁无序,在熔点附近磁电子整体排列无序对于熔点几乎无影响。3.太阳能候选材料CdS的研究表明：具有纤锌矿结构和闪锌矿结构的CdS中的Cd原子和S原子的价电子态均处于第四阶；它们的价电子分布相似,化合物中的Cd-Cd, S—S,S—Cd键长相近,计算的两种结合能差异小,可解释了实验中两相并存的现象。而结合能计算结果表明,纤锌矿结构的CdS具有更高的理论结合能值,故稳定性更高。键能计算表明：纤锌矿结构中长键Cd-S、Cd-Cd和S-S键能很小,容易断裂。与c轴不平行的强键Cd-S键容易转动,从而导致了价电子分布的变化。以上分析表明,高压相变的产生依赖于强键的转动和弱键的断裂,这些都起源于晶体的各向异性。4.ZnO的价电子结构计算和分析表明：电子结构分析显示晶格电子的提供者为Zn原子的4s电子,导电性主要取决于4s电子,这与第一性原理结论相同。与金属锌的13杂阶的价电子分布(s1.1689p2d1.1689)相比,ZnO的锌原子处于第4杂阶,价电子分布为s1.8877p2d1.8877,由于外层s层电子和d层电子数都有所增多,锌氧化造成了部分3p层电子转化为3d和4s电子,从而导致了性能的变化；根据固体与分子经验电子理论推测：掺杂半导体的类型依赖于掺杂原子提供的价电子数目。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-10
第1章绪论  10-17
  1.1 课题背景及研究的目的  10-12
    1.1.1 元素半导体材料简介  10
    1.1.2 硅的应用及研究现状  10-11
    1.1.3 化合物半导体材料  11-12
  1.2 半导体的结构与目前对半导体材料发展的要求和面临的主要问题  12-15
    1.2.1 半导体的晶体结构资料  12-15
    1.2.2 目前对半导体材料发展的要求和面临的主要问题  15
  1.3 本课题的选题意义和研究的主要内容  15-17
第2章固体与分子经验电子理论  17-26
  2.1 EET与第一性原理  17-18
    2.1.1 量子理论的诞生  17-18
    2.1.2 EET与第一性原理的比较  18
  2.2 EET的主要内容  18-24
    2.2.1 原子状态的描述  18-21
    2.2.2 杂化  21-22
    2.2.3 杂化表的建立和筛选  22-23
    2.2.4 键距差方法(BLD)  23-24
  2.3 EET的应用  24-26
第3章单质的价电子结构计算和物性分析  26-35
  3.1 EET的物性计算的公式  26-29
    3.1.1 熔点的计算公式  26-28
    3.1.2 结合能的计算公式  28-29
  3.2 Si、Ge的VES和物性计算及分析  29-30
    3.2.1 Si、Ge的杂化双态及杂化表  29
    3.2.2 Si、Ge的VES和物性计算  29-30
    3.2.3 基于Si、Ge价电子结构的物性分析  30
  3.3 稀土Gd、Tb的价电子结构和物性分析  30-35
    3.3.1 稀土Gd、Tb的杂化双态及杂化表的构建  30-32
    3.3.2 稀土Gd、Tb的价电子结构和物性计算  32-33
    3.3.3 价电子结构分析Gd、Tb物性相似  33
    3.3.4 4f电子对结合能和熔点的影响  33-35
第4章化合物半导体价电子结构计算和物性分析  35-45
  4.1 CdS的两种价电子结构和物性分析  35-41
    4.1.1 Cd和S的杂化双态及杂化表的构建  35-36
    4.1.2 CdS的两种价电子结构  36-38
    4.1.3 CdS两相结构中的各键能计算结果  38-39
    4.1.4 最近邻原子键距的有效性检验  39-40
    4.1.5 价电子结构分析结构稳定性  40
    4.1.6 价电子结构分析相变  40-41
  4.2 ZnO的价电子结构计算及物性分析  41-45
    4.2.1 ZnO杂化表的建立  41-42
    4.2.2 ZnO的价电子结构计算  42-43
    4.2.3 EET分析Zn氧化  43
    4.2.4 EET分析ZnO的掺杂导电机制  43-45
第5章结论和展望  45-47
  5.1 结论  45-46
  5.2 展望  46-47
参考文献  47-51
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  51-52
致谢  52

稀土和几种典型半导体材料的价电子结构和物性

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