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

1、借助計算機，通過理論計算、數(shù)值模擬對材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進行預測與設計，以最大限度地減少因盲目或錯誤實驗造成的浪費，是當今材料研究領域的一個方興未艾的領域。Si和Ge及其合金，以其優(yōu)異的物理化學性質(zhì)，在電子學、熱學、光學等方面都有著廣泛的應用，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。本文應用第一性原理和分子動力學

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意義。 首先，系統(tǒng)地總結(jié)分析了當前Si和Ge及其合金的研究和應用發(fā)展現(xiàn)狀；闡述了材料模擬的理論基礎-密度泛函理論、分子動力學方法和電子能帶理論。選擇目前應用比較廣泛的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??；同時研究了R8鍺的態(tài)密度中軌道構(gòu)成情況。 第三，計算分析了應變對SiGe合金導帶及價帶結(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)和電子能帶及光學性質(zhì)進行了研究，根據(jù)能帶結(jié)構(gòu)中的帶間和帶內(nèi)轉(zhuǎn)變解釋了其光學轉(zhuǎn)變的機理。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點的直接帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)長點的間接帶隙，6.3GPa時由L點的間接帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)椤?點的間接帶隙。 最后，在以往關(guān)于SiC的多型性研究的基礎上，對SiC的幾種常見多型體3C-SiC，6H-SiC，4H-SiC的光學性質(zhì)進行了系統(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