壓力下硅、鍺及其合金結(jié)構(gòu)與電子性質(zhì)的計算機(jī)模擬.pdf

1、借助計算機(jī)，通過理論計算、數(shù)值模擬對材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測與設(shè)計，以最大限度地減少因盲目或錯誤實(shí)驗(yàn)造成的浪費(fèi)，是當(dāng)今材料研究領(lǐng)域的一個方興未艾的領(lǐng)域。Si和Ge及其合金，以其優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，在電子學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)等方面都有著廣泛的應(yīng)用，因此國內(nèi)外眾多研究者多年來一直致力于這些材料的研究。但是，由于Si、Ge及其合金制備工藝以及研究手段的限制，在制備技術(shù)、微觀結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)等方面仍有許多問題沒有得到解決。本文應(yīng)用第一性原理和分子動力學(xué)

2、結(jié)合的方法，研究了Si、Ge、SiGe、GeSn及SiC等合金的高壓相變以及電子和光學(xué)性質(zhì)的變化，選題對于亞穩(wěn)材料的研究具有重要的指導(dǎo)意義。 首先，系統(tǒng)地總結(jié)分析了當(dāng)前Si和Ge及其合金的研究和應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀；闡述了材料模擬的理論基礎(chǔ)-密度泛函理論、分子動力學(xué)方法和電子能帶理論。選擇目前應(yīng)用比較廣泛的Si、Ge及其合金化合物系列，利用第一性原理模擬軟件進(jìn)行研究。 其次，系統(tǒng)全面地研究了純Si和純Ge高壓下的結(jié)構(gòu)演化。得到了

3、Si和Ge各個高壓相的相變壓力和體積模量。特別研究了鍺R8相的電子結(jié)構(gòu)以及壓力對其晶體結(jié)構(gòu)的影響，證明該相屬于半金屬，在Z點(diǎn)附近存在約0.7eV的能帶重疊，與無定型硅的情形類似，鍵長隨壓力增加而減?。煌瑫r研究了R8鍺的態(tài)密度中軌道構(gòu)成情況。 第三，計算分析了應(yīng)變對SiGe合金導(dǎo)帶及價帶結(jié)構(gòu)的影響，尤其是直接和間接帶隙值的變化，并與未應(yīng)變SiGe合金的能帶情況作了對比；給出了SiGe合金中組分對能帶性質(zhì)的影響。與此同時，系統(tǒng)地模擬

4、了Si50Ge50合金的高壓相變序列，得到了ZB相到β-Sn相、β-Sn相到Imma相、Imma相到sh相的相變壓力分別為12.3GPa、17.8GPa和44.5GPa。研究了組分對Si1-xGex固溶體亞穩(wěn)相形成的影響，得到0.95的臨界組分。 第四，對GeSn合金的晶體結(jié)構(gòu)和電子能帶及光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，根據(jù)能帶結(jié)構(gòu)中的帶間和帶內(nèi)轉(zhuǎn)變解釋了其光學(xué)轉(zhuǎn)變的機(jī)理。研究了組分對Ge1-xSnx合金能帶結(jié)構(gòu)的影響，得出Ge1-xSnx

5、合金中的帶隙隨組分x增加而減小。對GeSn合金施加壓力使能帶發(fā)生變化，4.8GPa時由Γ點(diǎn)的直接帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)長點(diǎn)的間接帶隙，6.3GPa時由L點(diǎn)的間接帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)椤?點(diǎn)的間接帶隙。 最后，在以往關(guān)于SiC的多型性研究的基礎(chǔ)上，對SiC的幾種常見多型體3C-SiC，6H-SiC，4H-SiC的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的模擬分析，同時對具有代表性的3C-SiC的高壓相變進(jìn)行了模擬研究，得到69GPa的相變壓力，并且糾正了此前他人已發(fā)表論文中中