二元化合物半导体的晶格动力学和热力学性质的第一性原理研究

论文摘要

在Ⅲ-Ⅴ族半导体中,由于氮化物（BN,AlN和GaN）具有优良的机械和热学性质,例如:高硬度、高熔点、高热导和大的体模量,因此近些年在科学研究和技术应用上引起了人们极大的兴趣。这些材料已被广泛用在短波发光二极管、激光二极管、光学探测器和其它的高温、高能、和高频装置上。Ⅱ-Ⅵ族半导体ZnS和ZnSe属于宽带隙半导体,它们在图像显示装置上具有广泛的应用。本文基于密度函数理论和密度函数扰动理论,用第一性原理计算了:（1）闪锌矿结构和纤锌矿结构AlN和GaN的电子结构、晶格动力学和介电性质。这些性质包括晶格常数、体弹模量和弹性常数;以及利用线性响应方法计算的波恩有效电荷、高频介电常数和声子频率。（2）闪锌矿结构和纤锌矿结构AlN和GaN的弹性、介电和动力学性质与压力的关系。（3）闪锌矿结构BN的热力学性质,包括PTV状态方程,不同压力下的热膨胀系数等;纤锌矿结构GaN的热膨胀系数和定压摩尔比热随温度的变化关系。（4）闪锌矿结构ZnS和ZnSe的声子频率与压力的关系,以及热膨胀系数和定压比热随温度的变化关系。本文的研究结果表明:1.本次计算的闪锌矿结构和纤锌矿结构AlN和GaN的晶格常数、弹性常数、波恩有效电荷、介电常数与可利用的实验结果有比较好的一致。由于元素Al和Ga具有不同的电负性和原子半径,使AlN和GaN具有不同的共价键强度,这导致了闪锌矿结构和纤锌矿结构AlN和GaN的基态性质的差异。2.闪锌矿结构AlN和GaN的C11、C12,以及C11、C12、C13和C33随着压力的变化发生明显的变化,但无论闪锌矿结构还是纤锌矿结构,C44都不如其它弹性张量对压力敏感。通过Martin变换,可以从闪锌矿结构的弹性常数得到纤锌矿结构的弹性常数。比较通过Martin变换和密度函数扰动理论得到的弹性常数,发现此次通过密度函数扰动理论得到的结果优于Martin变换结果。3.除了纤锌矿结构AlN与c轴平行的波恩有效电荷有一例外外,其它的闪锌矿结构和纤锌矿结构的介电张量和波恩有效电荷张量均随着压力的增加单调的减小。这个例外可能是由于四角相变形的退杂化造成。总的来说,GaN的压力依赖性更明显,这是因为在AIN中有更强的共价键。4.闪锌矿结构和纤锌矿结构AlN和GaN布里渊区中心Γ点的横向光学声子频率（TO）和纵向声学声子频率（LO）均随着压力的增加而单调的增加。光学声子支的所有振动模相当相似,并不与AlN和GaN的结构有关。5.利用声子频率,从自由能得到了闪锌矿结构BN的压力-温度-体积（PTV）状态方程。从状态方程得到的295K下晶格常数与实验值之间的差异小于计算的基态晶格常数与实验值之间的差异。通过计算得到压力作用可用来减小热膨胀系数。6.用密度函数理论计算了各向异性的纤锌矿结构GaN热膨胀系数,计算表明沿a轴方向的热膨胀系数在整个温区范围内高于沿c轴方向的热膨胀系数。无论对纤锌矿结构GaN,还是闪锌矿结构ZnS和ZnSe,在极低温状态下它们的热膨胀系数均为负,这可能是由于在极低温条件,激发的声子模主要是横向声学声子模,而这类声子模具有负的Gr（u|¨）neisen参数,导致热膨胀系数为负值。7.本次计算了闪锌矿结构ZnS和ZnSe,以及纤锌矿结构GaN的定压摩尔热容。总的来说,在低温范围,计算的结果与实验值有比较好的一致,但在高温范围,计算值和实验值相差较大,这是由于非谐作用,以及样品本身在高温会产生较多的缺陷等原因所致。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪言
• §1.1 计算机技术与材料科学
• §1.2 第一性原理方法
• §1.3 密度泛函理论的应用
• §1.3.1 原子和原子团簇中的激发谱
• §1.3.2 强关联系统
• §1.3.3 分子动力学模拟
• §1.3.4 生命科学
• §1.3.5 新材料
• §1.4 文献综述
• §1.4.1 ⅢA-氮化物半导体
• §1.4.2 闪锌矿结构ZnS和ZnSe
• §1.5 选题思想
• 第二章 理论与计算方法
• §2.1 密度泛函基本原理
• §2.1.1 Hobenberg-Kohn定理
• §2.1.2 Kohn-Sham方程
• §2.1.3 局域密度近似（LDA）和广义梯度近似（GGA）
• §2.1.4 赝势平面波方法
• §2.1.5 模守恒赝势与超软赝势
• §2.2 密度函数扰动理论
• §2.2.1 基本响应张量
• §2.2.2 晶格动力学
• §2.3 常用软件包介绍
• 第三章 ALN和GaN的电子和弹性性质
• §3.1 理论方法和计算细节
• §3.1.1 理论方法
• §3.1.2 计算细节
• §3.2 结构和电子性质
• §3.3 弹性性质
• §3.3.1 零压力下弹性性质
• §3.3.2 表征面与杨氏模量
• §3.3.3 压力作用下的弹性性质
• §3.5 小结
• 第四章 ALN和GaN的介电和动力学性质
• §4.1 计算细节
• §4.2 介电性质
• §4.2.1 零压下波恩有效电荷和介电常数
• §4.2.2 压力作用下的波恩有效电荷和介电常数
• §4.3 闪锌矿结构实空间原子力常数
• §4.4 振动性质
• §4.4.1 零压力下的声子谱
• §4.4.2 振动频率与压力的关系
• §4.5 小结
• 第五章 闪锌矿结构BN、纤锌矿结构GaN的晶格动力学和热学性质
• §5.1 闪锌矿结构BN的电子和动力学性质
• §5.1.1 计算细节
• §5.1.2 结构和电子性质
• §5.1.3 振动性质
• §5.2 3C-BN和2H-GaN的热力学性质
• §5.2.1 理论方法
• §5.2.2 计算细节
• §5.2.3 对闪锌矿结构BN的计算结果与讨论
• §5.2.4 对纤锌矿结构GaN的热力学性质的计算和讨论
• §5.3 小结
• 第六章 闪锌矿结构ZnS和ZnSe的晶格动力学和热力学性质
• §6.1 计算细节
• §6.2 结构和电子性质
• §6.3 弹性性质
• §6.4 振动性质
• §6.5 热力学性质
• §6.5.1 热膨胀
• §6.5.2 比热
• §6.6 小结
• 第七章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果