ZnO材料相变机理的研究

论文摘要

本文采用基于密度泛函理论的第一性原理模拟计算方法,并结合平面波赝势方法,运用VASP软件包首先分为四个步骤优化了ZnO材料结构：(1)截断能的优化；(2)SIGMA的优化；(3)K格点的优化；(4)晶格常数的优化。为了优化原子位置,我们运用扫描法,得到一个关于晶格常数比c／a和晶格常数a的势能面,而扫描势能面的最低点即与最稳定结构对应。对比五种赝势计算结果,选取和实验值最为接近优化值c／a是1.6256的USPP泛函和PW91赝势进行ZnO纤锌矿结构的后续计算。并在此基础上,对ZnO纤锌矿结构的弹性常数、能带结构、态密度等性质做了计算,并与前人的结果对比分析讨论。本论文的重点是ZnO材料三相之间相变关系的研究。鉴于WZ相到RS相的相变势垒、相变压强以及相变路径都有比较详细而具体的结果,而关于ZnO材料的WZ相到ZB相以及ZB相到RS相的相变情况的研究尚未见报道,又因为其他材料(CdSe,ZnS,SiC,InP)从ZB相到RS相的相变情况也已经有人研究过,相变势垒、相变路径以及原子的移动都给出了明确结果,并发现ZB相相变至RS相过程中存在一个中间TS相,唯独WZ相和ZB相之间的相变关系尚无报道,因此本文主要针对WZ相和ZB相之间的相变关系作了深入探讨,并给出了比较可能的相变路径(原子移动方向)和相变势垒(0.19eV/pair),把相变势垒与从WZ结构到RS结构的相变势垒(0.15eV/pair)相比,相差仅为0.04eV/pair;而与GaN材料的相变势垒(0.26 eV/pair)相比,更是低了很多。所以WZ相和ZB相之间的相变,从相变势垒角度来分析是有可能发生的,而对于为什么在实验上没有观察到这两相之间的相变,本文对此解释体系缺乏相变驱动力,并且进一步分别讨论了采取升高温度或者外加压力以提供相变驱动力,也都不能促使相变现象的发生,这在一定程度上解释了WZ相和ZB相之间不能发生相变的原因。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 ZnO的基本结构及基本特性
• 1.2 国内外研究的现况及存在的问题
• 1.3 材料计算与材料设计
• 1.3.1 材料设计发展状况
• 1.3.2 材料设计中的模拟计算
• 1.4 本课题的研究意义、思路方法、内容
• 第二章 VASP软件模拟理论
• 2.1 VASP软件介绍
• 2.2 密度泛函基础理论与计算方法
• 2.2.1 多电子体系的薛定谔方程
• 2.2.2 密度泛涵理论
• 2.2.3 赝势平面波
• 2.2.4 交换关联能函数近似
• 第三章 理想ZnO电子结构及性质的计算
• 3.1 结构优化
• 3.1.1 截断能的优化
• 3.1.2 SIGMA的优化
• 3.1.3 K格点的优化
• 3.1.4 晶格常数的优化
• 3.2 弹性常数的计算
• 3.2.1 计算原理
• 3.2.2 具体计算过程
• 3.2.3 计算结果
• 3.3 能带结构的计算
• 3.4 态密度的计算
• 第四章 ZnO三相之间的相变关系
• 4.1 三相基本结构
• 4.2 WZ相-RS相之间的相变研究
• 4.3 ZB相-RS相之间的相变研究
• 4.4 WZ相-ZB相之间的相变研究
• 第五章 工作总结与展望
• 参考文献
• 硕士期间发表的论文
• 致谢