液态InGaAs快速凝固过程中的纳米团簇研究

摘要

Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料是继硅材料之后的第二代半导体材料，因具有优异的光学和电学性能被认为是当今重要的光电子和电子器件的基础材料之一。材料的宏观性能由其微观结构决定，在现有的实验条件下，难以对 InGaAs在熔化和凝固过程中的微观结构进行观察和分析。采用计算机模拟可以实现对InGaAs在熔化和凝固过程中的微观结构演变进行追踪，具有重要意义。本文采用分子动力学方法，对In0.5Ga0.5As的熔化过程和快速凝固过程以及不同压强下的快速凝固过程进行了模拟。采用已被证实适用于模拟结构相对复杂的InxGa1-xAs共价键系统的Tersoff势函数进行计算，并采用径向分布函数(RDF)、键角分布函数（ADF）、配位数（CN）及可视化等方法，对InGaAs的熔化过程和快速凝固过程中的微观结构演变特性进行分析。
　　本研究主要内容包括：⑴对理想InGaAs晶体熔化过程中微观结构演变的分析表明：熔化过程的一级相变发生在1280K附近，此时原子间共价键发生断裂，体系主要配位数结构从四配位结构转变为三配位结构，固-液相变过程中的微观结构发生了很大的变化。在熔化过程中，通过占主导作用的三配位结构，结合少量的四配位结构，形成三配位结构之间的互连接和三配位结构穿插四配位结构的连接形成了拓扑无序的液态结构。⑵对不同冷速下液态 InGaAs快速凝固过程中微观结构的分析表明：在五种不同冷速下，液态InGaAs都没有发生结晶现象，系统最终形成的是非晶态，说明三元合金的非晶形成能力很强。冷速对 InGaAs凝固过程的影响主要表现为：随着冷速的降低，体系短程有序结构逐渐增强；同一冷速下，随着温度的降低，短程有序度也有一定的提高。⑶对不同压强下液态 InGaAs快速凝固过程中微观结构的分析表明：压强的施加主要对最近邻和次近邻的原子排布产生了较大的影响，压强的增大使得体系的原子排列更加紧密，提高了体系的短程有序度。随着压强的增加，系统的配位数由三配位结构向四配位结构发生转变，原子间的排列更为紧密，使得RDF的第二近邻原子的排列更加集中。另外对于液态InGaAs的快速凝固过程，发现在加压的过程中温度对于结构的影响远小于压强的贡献。⑷采用第一性原理的赝势平面波方法，对二维In0.5Ga0.5As类石墨烯结构的计算显示：对于以Ga原子为中心，周围为In、In、As原子和周围为In、As、As原子类型的两种类石墨构型并不存在；而在以Ga原子为中心，周围为三个As原子的这种类石墨烯构型经结构优化后，原子的排布出现较大的变动，原子的分布并不处于同一平面。

目录

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 In0.5Ga0.5As的结构模型

1.3 InGaAs材料的基本性质及应用

1.4 InGaAs的研究现状

1.5 研究目的和主要内容

第二章 模拟和计算方法介绍

2.1 分子动力学模拟

2.2 第一性原理基础理论

2.3 微观结构表征方法介绍

2.4 本章小结

第三章 理想InGaAs晶体熔化过程的分子动力学模拟

3.1 引言

3.2 熔化过程中的微观结构演变

3.3 本章小结

4.1 引言

4.2 模拟条件和方法

4.3 计算结果分析

4.4 本章小结

第五章 压强对液态InGaAs快速凝固过程中微观结构的影响

5.1 引言

5.2 压强对液态InGaAs快速凝固过程的影响

5.3 本章小结

第六章 二维半导体材料In0.5Ga0.5As

6.1 引言

6.2 二维In0.5Ga0.5As结构建模思想来源

6.3 理论模型与计算方法

6.4 本章小结

第七章 总结

7.1 总结

7.2 有待进一步解决的问题

参考文献

致谢

附录

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