GaAs材料光电性质第一性原理研究

论文摘要

砷化镓（GaAs）以其优良的光电特性已经成为化合物半导体中最重要、用途最广泛、生产量最大的化合物半导体材料。本文采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理平面波赝势方法,对GaAs电子结构、光学性质、体弹性模量以及应力下GaAs电子结构等性质进行了研究。主要研究内容及其结果如下：一、计算了闪锌矿GaAs晶格常数、能带结构、键结构、态密度和体弹性模量。计算结果证实GaAs是一种直接带隙半导体材料,导带底和价带顶都位于布里渊区中心G点处,但计算所的的禁带宽度仅为0.60eV,与实验值1.43 eV有较大偏差,文中分析了偏差过大的原因。二、为了深入认识GaAs的光学性质,本文计算了介质跃迁矩阵元,给出了GaAs的能量损失谱、介电函数、反射系数、吸收系数,复折射率等光学常数。利用半导体间跃迁理论和GaAs电子结构信息,对介电谱图和反射谱图的峰值进行了指认和判别,为实验图谱解析和精确监测和控制GaAs材料的生长提供了理论依据。三、计算了外压调制下GaAs体系电子结构和光学性质,分析了外压对GaAs电子结构与光学性质的影响,对GaAs带隙随压力增大而展宽的现象进行分析。结果表明：随着压力的逐渐增大,Ga-As键长缩短,价带与导带分别向低能和高能方向漂移,带内各峰发生小的劈裂,带隙Eg明显展宽,Ga 3d电子与As 4p电子杂化增强。GaAs的介电响应将向高频段转移,因此可以考虑通过施加外力作用达到改变GaAs电学性能的目的,改善其应用范围,如用作m级别的力学传感器。为发展新型GaAs光电材料提供理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 GaAs的基本特性和基本结构
• 1.2 国内外最新研究进展
• 1.3 计算材料学与材料设计
• 1.4 本课题研究的目的和研究意义
• 第二章 基本理论和研究方法
• 2.1 第一性原理计算方法
• 2.2 密度泛函理论
• 2.3 赝势平面波方法
• 2.4 半导体的能带结构及态密度
• 第三章 理想GaAs电子结构及性质的理论计算
• 3.1 计算方法与理论模型
• 3.2 计算结果与分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 外压调制下GaAs电子结构与光学性质计算
• 4.1 外压调制下GaAs电子结构的计算
• 4.2 外压调制下GaAs光学性质的计算
• 4.3 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 论文所完成的工作
• 5.2 论文存在的问题以及将来的工作
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间研究成果