压力下硅、锗及其合金结构与电子性质的计算机模拟

论文摘要

借助计算机,通过理论计算、数值模拟对材料的结构和性质进行预测与设计,以最大限度地减少因盲目或错误实验造成的浪费,是当今材料研究领域的一个方兴未艾的领域。Si和Ge及其合金,以其优异的物理化学性质,在电子学、热学、光学等方面都有着广泛的应用,因此国内外众多研究者多年来一直致力于这些材料的研究。但是,由于Si、Ge及其合金制备工艺以及研究手段的限制,在制备技术、微观结构、物理性质等方面仍有许多问题没有得到解决。本文应用第一性原理和分子动力学结合的方法,研究了Si、Ge、SiGe、GeSn及SiC等合金的高压相变以及电子和光学性质的变化,选题对于亚稳材料的研究具有重要的指导意义。首先,系统地总结分析了当前Si和Ge及其合金的研究和应用发展现状;阐述了材料模拟的理论基础-密度泛函理论、分子动力学方法和电子能带理论。选择目前应用比较广泛的Si、Ge及其合金化合物系列,利用第一性原理模拟软件进行研究。其次,系统全面地研究了纯Si和纯Ge高压下的结构演化。得到了Si和Ge各个高压相的相变压力和体积模量。特别研究了锗R8相的电子结构以及压力对其晶体结构的影响,证明该相属于半金属,在Z点附近存在约0.7 eV的能带重叠,与无定型硅的情形类似,键长随压力增加而减小;同时研究了R8锗的态密度中轨道构成情况。第三,计算分析了应变对SiGe合金导带及价带结构的影响,尤其是直接和间接带隙值的变化,并与未应变SiGe合金的能带情况作了对比;给出了SiGe合金中组分对能带性质的影响。与此同时,系统地模拟了Si50Ge50合金的高压相变序列,得到了ZB相到β-Sn相、β-Sn相到Imma相、Imma相到sh相的相变压力分别为12.3GPa、17.8 GPa和44.5 GPa。研究了组分对Si1-xGex固溶体亚稳相形成的影响,得到0.95的临界组分。第四,对GeSn合金的晶体结构和电子能带及光学性质进行了研究,根据能带结构中的带间和带内转变解释了其光学转变的机理。研究了组分对Ge1-xSnx合金能带结构的影响,得出Ge1-xSnx合金中的带隙随组分x增加而减小。对GeSn合金施加压力使能带发生变化,4.8 GPa时由Γ点的直接带隙转变为L点的间接带隙,6.3

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1 章 绪论
• 1.1 课题的意义
• 1.2 材料设计
• 1.3 Si 和Ge 及其合金的研究现状和应用发展趋势
• 1.3.1 Si 和Ge 的研究情况及应用
• 1.3.2 SiGe 二元合金的研究与应用
• 1.3.3 GeSn 二元合金的研究与应用
• 1.3.4 SiC 的研究与应用
• 1.3.5 SiGe 三元合金的研究情况
• 1.4 课题研究内容及预期目标
• 第2 章 计算机模拟理论基础
• 2.1 固体的量子理论
• 2.1.1 Schr?dinger 方程和多电子体系
• 2.1.2 Brillouin 区中对称点与自由电子能带
• 2.2 量子化学计算方法
• 2.3 分子动力学方法主要技术概要
• 2.4 基于第一性原理的主要计算方法
• 2.4.1 密度泛函理论
• 2.4.2 Car-Parrinello 方法
• 2.4.3 准粒子方程与GW 近似
• 2.5 电子能带计算
• 2.6 半导体材料设计
• 2.6.1 半导体晶体结构和电子能带结构
• 2.6.2 电子能带结构和半导体物理性质
• 2.7 材料设计的计算机模拟软件
• 2.8 本章小结
• 第3 章 Si、Ge 及其合金压力下的相变与电子结构
• 3.1 Si 和Ge 静态压力下的相结构与相变压力的计算机模拟
• 3.1.1 Si 和Ge 的结构参数和相变压力模拟
• 3.1.2 GGA 和LDA 不同计算设置的结果比较
• 3.2 Ge 的R8 相压力下电子结构的模拟
• 3.3 高压下SiGe 固溶体亚稳相的组分依赖
• 50Ge₅₀ 合金高压相变与能带结构模拟'>3.4 Si₅₀Ge₅₀合金高压相变与能带结构模拟
• 3.5 SiGe 合金的能隙和能带结构
• 3.5.1 未应变SiGe 合金（体材料）的能带
• 3.5.2 应变对SiGe 合金能带结构的影响
• 3.6 本章小结
• 第4 章 GeSn 合金的电子和光学性质及压力下的能带结构
• 4.1 有序GeSn 合金的晶体结构及电子性质模拟
• 4.1.1 GeSn 合金的模拟设置
• 4.1.2 GeSn 合金的晶体结构和电子能带模拟
• 1-xSn_x 合金的组分对电子能带的影响'>4.2 Ge_1-xSn_x合金的组分对电子能带的影响
• 4.3 GeSn 合金的光学性质模拟
• 4.4 本章小结
• 第5 章 SiC 多型的结构和电子性质及高压相变的研究
• 5.1 SiC 的多型性
• 5.2 SiC 多型的布里渊区
• 5.3 SiC 多型的晶体结构和能带结构
• 5.4 SiC 多型的光学性质
• 5.4.1 3C-SiC 的光学性质
• 5.4.2 6H-SiC 的光学性质
• 5.4.3 4H-SiC 的光学性质
• 5.5 SiC 多型的高压相变模拟
• 5.5.1 SiC 高压研究的意义及其应用
• 5.5.2 SiC 的高压相变研究
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介