中小尺寸（CdS）和（CdTe）团簇结构与电子性质的第一性原理研究

摘要

在过去的几十年中，半导体团簇不仅由于其在基础研究领域的重要性，而且由于其在微电子和光电子领域的潜在应用价值，一直是团簇研究领域的热点之一。近年来，特别是II~VI族半导体（CdS、CdSe、CdTe和HgTe等）团簇及其相对应的量子点，由于在可调谐发光器件（LED）和量子点激光等方面的应用前景诱人而受到高度重视。 到目前为止，基于第一性原理对CdS和CdTe团簇基态结构和电子性质的研究不是很多，因此，继续开展这方面的研究对我们充分认识II~VI族半导体团簇结构与性质是十分必要的。 本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法（DMOL3程序），在广义梯度近似(GGA)下，计算了中小尺寸II~VI族 (CdS)n和(CdTe)n 半导体团簇的基态几何结构、结合能、能隙及热力学性质等。为了便于比较分析，同时也采用局域密度近似(LDA)进行计算，得到以下主要结论： （1） 对(CdSe)n 团簇的计算和M.C.Troparevsky等人应用LDA近似、X.Q.Wang等人应用CASTEP程序计算的结果吻合得很好；对(HgTe)n 团簇的计算结果与CASTEP程序计算所得亦基本吻合，这说明我们的计算方案是可行的。 （2）Ⅰ≤n≤Ⅱ内，(CdS)n团簇的结合能随尺寸的增加而增大，团簇尺寸比较小时，变化较快，随着尺寸的继续增大，变化趋于平缓，结构相对稳定。且在 时，我们应用LDA和GGA计算得到结合能、能隙与M.C.Troparevsky等人得到曲线的变化趋势基本一致。 (CdS)n团簇的结合能在n为3和6时有局域极大，n为5和8时有局域极小；能隙在n为5和8时较相邻团簇小，n为3和6时较相邻团簇大。 （3）Ⅰ≤n≤Ⅱ内，(CdTe)n团簇的结合能随尺寸的增加而增大，尺寸较小时，结合能明显随之变大，在n为3时有局域极大值，n为4时有回落，随后结合能又呈增大趋势，并在n为6时有一极大值出现，n为8时有极小值，随着尺寸的进一步增大，变化幅度相对缓慢，结构相对稳定。 (CdTe)n团簇的能隙在n为4和6较大，5和8较小。对(CdTe)n团簇这方面的研究，目前尚未见有类似的报道。 (CdTe)n团簇的结合能、能隙随尺寸的变化与(CdS)n团簇相比存在着一定的差异，构成两种团簇的原子(如S和Te)自身性质的一些差异是导致其性质差异的一个原因。 此外，不管是LDA还是GGA的计算结果都表明了团簇的能隙和结合能有相互关联。 （4） (CdS)n和(CdTe)n团簇的基态几何结构基本相似，但键长和键角的分布呈现一定的差异，构成两种团簇的原子(如S和Te)自身性质的一些差异是导致其结构差异的一个原因。 本文的计算结果，有的和前人研究已经得到的结果相吻合，说明我们的计算方案是可行的；有的虽然还有待实验或理论上进一步验证，但对我们进一步探讨更大尺寸(CdS)n和(CdTe)n团簇的基态结构和电子性质具有很大的指导意义和参考价值，也有助于我们全面、系统地了解II～VI族半导体（半金属）的结构和性质，分析其存在的普遍性规律。