半导体硅与砷化镓光学性质温度依赖性的第一性原理研究

论文摘要

温度是影响材料热辐射物性的最为重要的状态参数之一。对材料热辐射物性的温度依赖性的理论研究有助于理解温度影响热辐射物性的微观机理,从而应用于辐射调控等领域以实现特定的功能。第一性原理方法因其直接从量子力学基本方程出发的特点而被广泛地应用于预测材料的真实物性。特别是在高温等实验条件难以达到的条件下,第一性原理方法可以有效地辅助实验,甚至在实验的基础上对材料的真实物性做出外延性的预测。半导体材料光学性质的温度依赖性对于半导体工业及其相关应用至关重要。尽管如此,已有研究绝大多数为基于实验数据拟合的经验方法,直接从第一性原理出发预测其温度依赖的光学性质的学术研究并不多见。本文以半导体材料硅和砷化镓为例,基于第一性原理方法研究其紫外—可见光谱与红外光谱的温度依赖性,为进一步实现材料宏观辐射特性的调控提供理论依据。电子—声子相互作用是半导体材料紫外—可见光谱温度依赖性的物理根源。本文结合考虑电子—声子相互作用对电子能带结构的热修正及激子效应对激发态电子带间跃迁的影响,提出了计算半导体材料紫外—可见光谱温度依赖性的“从头算”第一性原理方法。计算了硅室温及高温条件下的晶格热膨胀效应及电子能带结构热修正,进一步得到温度依赖的紫外—可见光谱。计算结果与实验结果在室温下定量符合,推广至高温条件下定性符合。分析了温度对硅紫外—可见光谱影响的一般规律及影响计算精度的可能因素。声子—声子相互作用是半导体材料红外光谱温度依赖性的物理根源。本文基于阻尼谐振子模型,考虑声子—声子相互作用对声子能带结构的热修正,提出了计算半导体材料红外光谱温度依赖性的第一性原理方法。计算了砷化镓室温及高温条件下长波光学模声子的热位移与展宽,进一步得到温度依赖的红外光谱。计算结果与实验结果符合一致,验证了本文所提出的方法的可行性。分析了温度对砷化镓红外光谱影响的一般规律。进一步利用麦克马洪公式,给出了半透明砷化镓介质薄膜温度依赖的红外辐射特性。计算了砷化镓在其红外吸收波段的光谱发射率,并分析了温度、薄膜厚度等对砷化镓薄膜红外辐射特性的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题的研究背景与研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 电子—声子相互作用
• 1.2.2 声子—声子相互作用
• 1.3 本文的研究工作
• 第2章 基于密度泛函理论的第一性原理计算方法
• 2.1 第一性原理方法
• 2.2 密度泛函理论
• 2.2.1 局域密度近似
• 2.2.2 平面波基函数
• 2.2.3 赝势
• 2.3 多体方法：GW近似与BS方程
• 2.3.1 GW近似
• 2.3.2 BS方程
• 2.4 密度泛函微扰理论
• 2.4.1 线性响应理论
• 2.4.2 晶格热膨胀
• 2.5 第一性原理计算软件：ABINIT与Quantum ESPRESSO
• 2.6 本章小结
• 第3章 半导体材料光学性质的温度依赖性
• 3.1 半导体材料电磁响应机制与光学性质
• 3.1.1 电子能带理论与紫外—可见光学性质
• 3.1.2 晶格动力学与红外光学性质
• 3.2 电子—声子相互作用
• 3.2.1 电子能带结构热修正
• 3.2.2 紫外—可见光谱温度依赖性
• 3.3 声子—声子相互作用
• 3.3.1 声子能带结构热修正
• 3.3.2 红外光谱温度依赖性
• 3.4 本章小结
• 第4章 温度对硅紫外—可见光谱的影响
• 4.1 计算模型与方法
• 4.2 电子能带结构热修正
• 4.3 温度对紫外—可见光谱的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 温度对砷化镓红外光谱的影响
• 5.1 计算模型与方法
• 5.2 声子能带结构热修正
• 5.3 温度对红外光谱的影响
• 5.4 温度对红外辐射特性的影响
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢