二元化合物半導(dǎo)體的晶格動力學和熱力學性質(zhì)的第一性原理研究.pdf

1、在Ⅲ-V族半導(dǎo)體中，由于氮化物(BN，AlN和GaN)具有優(yōu)良的機械和熱學性質(zhì)，例如：高硬度、高熔點、高熱導(dǎo)和大的體模量，因此近些年在科學研究和技術(shù)應(yīng)用上引起了人們極大的興趣。這些材料已被廣泛用在短波發(fā)光二極管、激光二極管、光學探測器和其它的高溫、高能、和高頻裝置上。II-VI族半導(dǎo)體ZnS和ZnSe屬于寬帶隙半導(dǎo)體，它們在圖像顯示裝置上具有廣泛的應(yīng)用。 本文基于密度函數(shù)理論和密度函數(shù)擾動理論，用第一性原理計算了：(1)閃鋅礦結(jié)

2、構(gòu)和纖鋅礦結(jié)構(gòu)AlN和GaN的電子結(jié)構(gòu)、晶格動力學和介電性質(zhì)。這些性質(zhì)包括晶格常數(shù)、體彈模量和彈性常數(shù)；以及利用線性響應(yīng)方法計算的波恩有效電荷、高頻介電常數(shù)和聲子頻率。(2)閃鋅礦結(jié)構(gòu)和纖鋅礦結(jié)構(gòu)AlN和GaN的彈性、介電和動力學性質(zhì)與壓力的關(guān)系。(3)閃鋅礦結(jié)構(gòu)BN的熱力學性質(zhì)，包括PTV狀態(tài)方程，不同壓力下的熱膨脹系數(shù)等；纖鋅礦結(jié)構(gòu)GaN的熱膨脹系數(shù)和定壓摩爾比熱隨溫度的變化關(guān)系。(4)閃鋅礦結(jié)構(gòu)ZnS和ZnSe的聲子頻率與壓力的關(guān)

3、系，以及熱膨脹系數(shù)和定壓比熱隨溫度的變化關(guān)系。 本文的研究結(jié)果表明： 1.本次計算的閃鋅礦結(jié)構(gòu)和纖鋅礦結(jié)構(gòu)AlN和GaN的晶格常數(shù)、彈性常數(shù)、波恩有效電荷、介電常數(shù)與可利用的實驗結(jié)果有比較好的一致。由于元素Al和Ga具有不同的電負性和原子半徑，使AlN和GaN具有不同的共價鍵強度，這導(dǎo)致了閃鋅礦結(jié)構(gòu)和纖鋅礦結(jié)構(gòu)AlN和GaN的基態(tài)性質(zhì)的差異。 2.閃鋅礦結(jié)構(gòu)AlN和GaN的C11、C12，以及C11、C12、C1

4、3和C33隨著壓力的變化發(fā)生明顯的變化，但無論閃鋅礦結(jié)構(gòu)還是纖鋅礦結(jié)構(gòu)，C44都不如其它彈性張量對壓力敏感。通過Martin變換，可以從閃鋅礦結(jié)構(gòu)的彈性常數(shù)得到纖鋅礦結(jié)構(gòu)的彈性常數(shù)。比較通過Martin變換和密度函數(shù)擾動理論得到的彈性常數(shù)，發(fā)現(xiàn)此次通過密度函數(shù)擾動理論得到的結(jié)果優(yōu)于Martin變換結(jié)果。 3.除了纖鋅礦結(jié)構(gòu)AlN與c軸平行的波恩有效電荷有一例外外，其它的閃鋅礦結(jié)構(gòu)和纖鋅礦結(jié)構(gòu)的介電張量和波恩有效電荷張量均隨著壓力

5、的增加單調(diào)的減小。這個例外可能是由于四角相變形的退雜化造成?？偟膩碚f，GaN的壓力依賴性更明顯，這是因為在AlN中有更強的共價鍵。 4.閃鋅礦結(jié)構(gòu)和纖鋅礦結(jié)構(gòu)AlN和GaN布里淵區(qū)中心Γ點的橫向光學聲子頻率(TO)和縱向聲學聲子頻率(LO)均隨著壓力的增加而單調(diào)的增加。光學聲子支的所有振動模相當相似，并不與AlN和GaN的結(jié)構(gòu)有關(guān)。 5.利用聲子頻率，從自由能得到了閃鋅礦結(jié)構(gòu)BN的壓力-溫度-體積(PTV)狀態(tài)方程。從狀

6、態(tài)方程得到的295K下晶格常數(shù)與實驗值之間的差異小于計算的基態(tài)晶格常數(shù)與實驗值之間的差異。通過計算得到壓力作用可用來減小熱膨脹系數(shù)。 6.用密度函數(shù)理論計算了各向異性的纖鋅礦結(jié)構(gòu)GaN熱膨脹系數(shù)，計算表明沿a軸方向的熱膨脹系數(shù)在整個溫區(qū)范圍內(nèi)高于沿c軸方向的熱膨脹系數(shù)。無論對纖鋅礦結(jié)構(gòu)GaN，還是閃鋅礦結(jié)構(gòu)ZnS和ZnSe，在極低溫狀態(tài)下它們的熱膨脹系數(shù)均為負，這可能是由于在極低溫條件，激發(fā)的聲子模主要是橫向聲學聲子模，而這類聲