固體介電函數(shù)及其溫度依變性的量子分子動(dòng)力學(xué)模擬.pdf

1、介電函數(shù)是基礎(chǔ)的熱輻射物性參數(shù)，在高溫?zé)彷椛溲芯恐邪缪葜鴺O其重要的角色。近年來(lái)，隨著計(jì)算技術(shù)的飛速發(fā)展和相關(guān)算法的日益完善，熱輻射方程的求解已趨于成熟，而如何獲取高溫介電函數(shù)成為高溫?zé)彷椛溲芯康年P(guān)鍵所在。限于高溫氧化和自身熱輻射等問(wèn)題，固體高溫介電函數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量比較困難；另一方面，經(jīng)典的介電函數(shù)理論模型，如Drude和Lorentz，無(wú)法有效地描述溫度影響固體介電函數(shù)的微觀機(jī)理，進(jìn)而不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)高溫?cái)?shù)據(jù)。目前固體高溫介電函數(shù)的匱乏已經(jīng)成

2、為制約高溫?zé)彷椛溲芯康钠款i。
　　本文在原子層面上探究了溫度影響固體介電函數(shù)的微觀機(jī)理。在傳統(tǒng)第一性原理方法的基礎(chǔ)上結(jié)合量子微擾和晶格動(dòng)力學(xué)理論，將溫度效應(yīng)引入到介電函數(shù)計(jì)算模型中，進(jìn)而預(yù)測(cè)固體高溫介電函數(shù)。通過(guò)紅外角度可變橢圓偏振儀(IR-VASE)和可見光角度可變橢圓偏振儀(V-VASE)等高精密光學(xué)儀器測(cè)量有限溫度下固體介電函數(shù)，驗(yàn)證上述方法預(yù)測(cè)固體高溫介電函數(shù)的可行性。其中主要工作包括：
　　可見光-超紫外波段，半導(dǎo)

3、體材料的光學(xué)吸收主要源于微觀電子在不同能級(jí)間的躍遷。根據(jù)費(fèi)米黃金法則，介電函數(shù)由電子能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和電子-光子耦合本征地決定。本文分別采用密度泛函微擾理論(DFPT)和第一性原理分子動(dòng)力學(xué)(FPMD)方法預(yù)測(cè)了有限溫度下元素半導(dǎo)體鍺介電函數(shù)。研究發(fā)現(xiàn)，DFPT和FPMD方法均能預(yù)測(cè)出介電函數(shù)隨溫度變化的規(guī)律，如吸收峰幅值減小、位置紅移以及帶寬拓展。其中紅移現(xiàn)象可解釋為，隨著晶格振動(dòng)加劇，鍺禁帶寬度減小，則激發(fā)電子躍遷所需的光子能量減少

4、；吸收峰幅值減小和帶寬拓展現(xiàn)象主要源于電子與晶格振動(dòng)的耦合，電子發(fā)生衰減，而參與能級(jí)躍遷的電子數(shù)減少。相比于DFPT，F(xiàn)PMD方法更為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了825K溫度下鍺介電函數(shù)，與文獻(xiàn)橢偏實(shí)驗(yàn)吻合良好。另一方面，運(yùn)用FPMD方法研究了碳化硅、硅鍺合金以及硅鋁砷磷合金等復(fù)合半導(dǎo)體介電函數(shù)溫度依變性。結(jié)果表明，F(xiàn)PMD方法能有效預(yù)測(cè)有限溫度下上述材料的介電函數(shù)，從而驗(yàn)證了該方法在預(yù)測(cè)半導(dǎo)體材料高溫介電函數(shù)方面具有普適性。
　　源于其離子晶體

5、屬性，金屬氧化物在紅外波段的光學(xué)吸收主要源于晶格振動(dòng)與入射光電場(chǎng)的耦合?；诰€性響應(yīng)理論，F(xiàn)PMD方法通過(guò)計(jì)算時(shí)變電偶極矩，預(yù)測(cè)紅外波段氧化鎂高溫介電函數(shù)。結(jié)果表明，F(xiàn)PMD方法成功預(yù)測(cè)了400cm-1波段附近氧化鎂晶體介電函數(shù)尖銳吸收峰結(jié)構(gòu)，且隨著溫度的增加，吸收峰的幅值減小、位置紅移且?guī)捦卣?，與IR-VASE橢偏實(shí)驗(yàn)吻合。上述現(xiàn)象主要源于聲子間的耦合，使得聲子壽命減小、紅外共振頻率紅移且聲子-光子相互作用減弱。由于通過(guò)求解電子薛定

6、諤方程以計(jì)算原子間作用勢(shì)，F(xiàn)PMD方法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)了1950K溫度下氧化鎂晶體紅外吸收光譜，與文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合。本文運(yùn)用FPMD方法預(yù)測(cè)了4-12μm波段氧化鋁晶體熔點(diǎn)溫度附近介電函數(shù)以及輻射性質(zhì)。隨著晶格振動(dòng)的加劇，理論預(yù)測(cè)的紅外吸收光譜呈現(xiàn)幅值減小和位置紅移現(xiàn)象。
　　區(qū)別于體材料，低維材料內(nèi)存在顯著的量子尺寸效應(yīng)，因而具有奇異的電子能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度。運(yùn)用FPMD方法預(yù)測(cè)低維材料的介電函數(shù)以及溫度依變性，并分析量子尺寸效應(yīng)的影響。

7、隨著溫度的增加，單根鋸齒型納米管(5,0)介電函數(shù)吸收峰的幅值增大，主要源于納米管奇異的電子態(tài)密度分布。研究發(fā)現(xiàn)，碳納米管束穩(wěn)定存在時(shí)，其分離距離約為2.8-3.2?，隨著分離距離的減小，非局域效應(yīng)增強(qiáng)，當(dāng)納米管間距大于20?時(shí)，管間相互作用力可以忽略。隨著溫度的增加，二維結(jié)構(gòu)石墨烯和硅烯介電函數(shù)吸收峰位置紅移且幅值增大，經(jīng)體積歸一化后，理論計(jì)算的單層石墨烯光學(xué)常數(shù)與V-VASE橢偏實(shí)驗(yàn)吻合。另一方面，因具有較大的禁帶寬度，砷烯介電函數(shù)