高温高压下ZnO物理性质的第一性原理计算

论文摘要

ZnO是一种多功能氧化物半导体材料,它在光电、压电、气敏、压敏等许多方面具有优异的性能,热稳定性高,在表面声波器件、太阳能电池、热电、铁电、气敏和压敏器件等很多方面应用较为广泛,另外,ZnO薄膜的许多制作工艺与集成电路工艺相容,可与硅等多种半导体器件实现集成。因此,ZnO材料备受人们重视,具有广阔的发展前景。首先,我们利用基于平面波赝势密度泛函理论的第一性原理计算了ZnO平衡态的晶格常数、体弹模量以及体弹模量对压强的一阶导数,计算结果与实验值和其他理论值符合的比较好。我们得到ZnO由纤锌矿结构转变成闪锌矿结构的相变压是10.9 GPa,而ZnO由氯化钠结构转变成氯化铯结构则是发生在245 GPa,这与Bates和Gerward等的结果非常一致。我们还计算了四种结构的ZnO的体积随温度和压强的关系,得出压强一定时,在高温下ZnO更容易被压缩的结论。其次,我们利用准谐德拜模型计算了ZnO的热力学性质,得到了体弹模量、热容、德拜温度、热膨胀系数随温度和压强的变化关系。对于ZnO,热容是随着温度的增加而增加,在温度比较高时（T>1400k）,热容几乎接近Dulong-Petit值（3kB≈49.89J·mol-1·K-1）,热容随着压强的增大而减小,德拜温度随着压强的增加而增大。对于ZnO的热膨胀系数,温度较低时热膨胀系数α随温度的增加呈指数形式增加。在温度一定时,热膨胀系数随压强的增加而显著减小,但是在高温高压下,热膨胀系数受温度和压强的影响很小。最后,我们研究了ZnO在不同温度和压强下的弹性性质。对于纤锌矿结构的ZnO来说,随着压强的增大,弹性常数C11、C12、C13、C33都是增大的,而C44随着压强的增大却是减小的。随着温度的增长,弹性常数C11、C12、C13、C33和C44都是减小的。我们利用弹性常数,按照Born-Huang的稳定性标准得出在通常情况下,ZnO的纤锌矿结构、闪锌矿结构和氯化钠结构都是稳定的,氯化铯结构在常态下是不稳定的,在高压下稳定。最后我们利用弹性常数求出了德拜温度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 ZnO 的研究背景
• 1.2 理论研究意义
• 1.2.1 材料设计与计算的发展
• 1.2.2 高温高压领域研究的意义
• 1.3 本论文的研究内容
• 第二章 软件介绍和理论基础
• 2.1 CASTEP 软件
• 2.2 单电子近似理论
• 2.2.1 多粒子系统的薛定谔方程
• 2.2.2 非相对论近似
• 2.2.3 Born-Oppenheirner 绝热近似
• 2.2.4 Hartree-Fock 近似
• 2.3 密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）
• 2.3.1 Hohenberg-Kohn 定理
• 2.3.2 Kohn-Sham 方程
• 2.3.3 局域密度近似和广义梯度近似
• 2.4 赝势平面波法
• 2.4.1 模守恒赝势（Norm-Conserving）
• 2.4.2 超软赝势（Ultrasoft Pseudopotential）
• 2.5 自洽场计算
• 2.6 第一性原理计算方法的发展概述
• 2.7 相变理论
• 2.8 准谐德拜模型
• 2.9 弹性性质
• 第三章ZnO 的结构和相变的第一性原理计算
• 3.1 引言
• 3.2 计算模型与方法
• 3.2.1 计算模型
• 3.2.2 计算方法
• 3.3 计算结果及分析
• 3.3.1 晶体结构的计算结果
• 3.3.2 相变的计算结果
• 第四章 ZnO 的热力学性质的第一性原理计算
• 4.1 引言
• 4.2 计算模型与方法
• 4.3 计算结果与分析
• 4.3.1 ZnO 的热力学性质及状态方程
• 4.3.2 ZnO 的热容和德拜温度
• 4.3.3 ZnO 的热膨胀系数
• 第五章 ZnO 的弹性性质的第一性原理计算
• 5.1 引言
• 5.2 计算方法
• 5.3 计算结果与分析
• 5.3.1 B4 结构的 ZnO 的弹性常数与讨论
• 5.3.2 B3、B1 和 B2 结构的 ZnO 的弹性常数与讨论
• 第六章 结语
• 参考文献
• 致谢
• 在校期间科研成果