Ge3N4的準(zhǔn)粒子能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算.pdf

1、電子能帶結(jié)構(gòu)能夠給出一個(gè)固體材料的電子和光學(xué)性質(zhì)。第一性原理計(jì)算是在對(duì)材料性質(zhì)進(jìn)行計(jì)算時(shí),只使用所涉及的原子的原子序數(shù),而沒有其他經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的加入。這種計(jì)算方法相比經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算量更大,但第一性原理計(jì)算具有更強(qiáng)的預(yù)測(cè)能力。Hartree-Fock理論和密度泛函理論(DFT)在量子化學(xué)和凝聚態(tài)科學(xué)中被廣泛應(yīng)用。DFT以電子密度作為自由度,從而減少了以波函數(shù)為基礎(chǔ)的計(jì)算體系中自由度的數(shù)量。由于準(zhǔn)確的交換關(guān)聯(lián)泛函無法得到,DFT

2、通常采用局域密度近似(LDA)方法來將交換關(guān)聯(lián)勢(shì)描述成以電子密度為自變量的形式。為了更進(jìn)一步的減少計(jì)算量,構(gòu)造了一種代替真實(shí)勢(shì)的勢(shì)函數(shù),即贗勢(shì)。它與真實(shí)的勢(shì)在芯電子區(qū)域外的價(jià)電子軌道擁有同樣的散射性質(zhì)。DFT-LDA方法已經(jīng)成功地應(yīng)用在對(duì)分子和晶體的結(jié)構(gòu)和基態(tài)電子性質(zhì)的計(jì)算上,但它在計(jì)算材料的禁帶寬度時(shí)卻常常偏小,具有較大的誤差。為了得到比較精確的能帶結(jié)構(gòu),引入了一種準(zhǔn)粒子計(jì)算方法。理論上來說精確的準(zhǔn)粒子的自能可以通過對(duì)Hedin方程進(jìn)

3、行自洽地計(jì)算得到。而事實(shí)上,由于頂點(diǎn)函數(shù)的計(jì)算中有泛函導(dǎo)數(shù)存在,對(duì)頂點(diǎn)函數(shù)的計(jì)算是非常困難的,因此通常采用對(duì)頂點(diǎn)函數(shù)取一階近似的方法。由此得到的自能的GW近似值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好,因此GW近似方法被認(rèn)為是計(jì)算準(zhǔn)粒子能帶結(jié)構(gòu)的一個(gè)較準(zhǔn)確的方法。本文的工作中,采用Abinit計(jì)算軟件計(jì)算了金剛石、硅、鍺、BN以及Ge3N4的六個(gè)不同的相的能帶結(jié)構(gòu)。總體的能帶結(jié)構(gòu)圖是利用DFT-LDA得到,而隨后采用GW近似方法對(duì)一些高對(duì)稱k點(diǎn)的能級(jí)進(jìn)行了修

4、正,以期得到準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)值。本文還對(duì)計(jì)算所需的輸入?yún)?shù)如截?cái)鄤?dòng)能的收斂性進(jìn)行了嚴(yán)格的測(cè)試。我們得到的金剛石、硅、鍺和BN的禁帶寬度計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合的很好。隨后我們對(duì)Ge3N4的六個(gè)相進(jìn)行了幾何優(yōu)化和能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算。文獻(xiàn)中很少有對(duì)Ge3N4的研究報(bào)道,因此我們的理論預(yù)測(cè)能夠?qū)λ鼈兾磥淼难芯亢凸I(yè)應(yīng)用帶來幫助。能帶結(jié)構(gòu)圖顯示α相、β相、偽立方相和立方相的Ge3N4是間接帶隙半導(dǎo)體,而γ相和石墨相的Ge3N4則是直接帶隙半導(dǎo)體。根據(jù)我們的計(jì)算結(jié)

5、果,Y相的Ge3N4有大約3.0eV的直接帶隙禁帶寬度,有成為光催化劑材料的前景。而偽立方相的Ge3N4雖然最小禁帶寬度是間接帶隙的,但它同樣擁有僅比間接帶隙禁帶寬度大了0.17eV的直接帶隙禁帶寬度2.68eV。這個(gè)禁帶寬度相當(dāng)于藍(lán)光的光子激發(fā)能量,因此偽立方相的Ge3N4有成為良好的光催化劑或光電子半導(dǎo)體材料的應(yīng)用前景。本文共分五章,組織如下。第一章為緒論,介紹了理論背景和所研究的材料。本文涉及的計(jì)算方法(DFT和GW方法)以及對(duì)使