固体介电函数及其温度依变性的量子分子动力学模拟

摘要

介电函数是基础的热辐射物性参数，在高温热辐射研究中扮演着极其重要的角色。近年来，随着计算技术的飞速发展和相关算法的日益完善，热辐射方程的求解已趋于成熟，而如何获取高温介电函数成为高温热辐射研究的关键所在。限于高温氧化和自身热辐射等问题，固体高温介电函数的实验测量比较困难；另一方面，经典的介电函数理论模型，如Drude和Lorentz，无法有效地描述温度影响固体介电函数的微观机理，进而不能准确预测高温数据。目前固体高温介电函数的匮乏已经成为制约高温热辐射研究的瓶颈。
　　本文在原子层面上探究了温度影响固体介电函数的微观机理。在传统第一性原理方法的基础上结合量子微扰和晶格动力学理论，将温度效应引入到介电函数计算模型中，进而预测固体高温介电函数。通过红外角度可变椭圆偏振仪(IR-VASE)和可见光角度可变椭圆偏振仪(V-VASE)等高精密光学仪器测量有限温度下固体介电函数，验证上述方法预测固体高温介电函数的可行性。其中主要工作包括：
　　可见光-超紫外波段，半导体材料的光学吸收主要源于微观电子在不同能级间的跃迁。根据费米黄金法则，介电函数由电子能带结构、态密度和电子-光子耦合本征地决定。本文分别采用密度泛函微扰理论(DFPT)和第一性原理分子动力学(FPMD)方法预测了有限温度下元素半导体锗介电函数。研究发现，DFPT和FPMD方法均能预测出介电函数随温度变化的规律，如吸收峰幅值减小、位置红移以及带宽拓展。其中红移现象可解释为，随着晶格振动加剧，锗禁带宽度减小，则激发电子跃迁所需的光子能量减少；吸收峰幅值减小和带宽拓展现象主要源于电子与晶格振动的耦合，电子发生衰减，而参与能级跃迁的电子数减少。相比于DFPT，FPMD方法更为准确地预测了825K温度下锗介电函数，与文献椭偏实验吻合良好。另一方面，运用FPMD方法研究了碳化硅、硅锗合金以及硅铝砷磷合金等复合半导体介电函数温度依变性。结果表明，FPMD方法能有效预测有限温度下上述材料的介电函数，从而验证了该方法在预测半导体材料高温介电函数方面具有普适性。
　　源于其离子晶体属性，金属氧化物在红外波段的光学吸收主要源于晶格振动与入射光电场的耦合。基于线性响应理论，FPMD方法通过计算时变电偶极矩，预测红外波段氧化镁高温介电函数。结果表明，FPMD方法成功预测了400cm-1波段附近氧化镁晶体介电函数尖锐吸收峰结构，且随着温度的增加，吸收峰的幅值减小、位置红移且带宽拓展，与IR-VASE椭偏实验吻合。上述现象主要源于声子间的耦合，使得声子寿命减小、红外共振频率红移且声子-光子相互作用减弱。由于通过求解电子薛定谔方程以计算原子间作用势，FPMD方法准确预测了1950K温度下氧化镁晶体红外吸收光谱，与文献实验数据吻合。本文运用FPMD方法预测了4-12μm波段氧化铝晶体熔点温度附近介电函数以及辐射性质。随着晶格振动的加剧，理论预测的红外吸收光谱呈现幅值减小和位置红移现象。
　　区别于体材料，低维材料内存在显著的量子尺寸效应，因而具有奇异的电子能带结构和态密度。运用FPMD方法预测低维材料的介电函数以及温度依变性，并分析量子尺寸效应的影响。随着温度的增加，单根锯齿型纳米管(5,0)介电函数吸收峰的幅值增大，主要源于纳米管奇异的电子态密度分布。研究发现，碳纳米管束稳定存在时，其分离距离约为2.8-3.2?，随着分离距离的减小，非局域效应增强，当纳米管间距大于20?时，管间相互作用力可以忽略。随着温度的增加，二维结构石墨烯和硅烯介电函数吸收峰位置红移且幅值增大，经体积归一化后，理论计算的单层石墨烯光学常数与V-VASE椭偏实验吻合。另一方面，因具有较大的禁带宽度，砷烯介电函数吸收峰幅值减小，与石墨烯和硅烯相反。

目录

符号表

第1章 绪 论

1.1课题背景及研究的目的和意义

1.2介电函数研究现状

1.3论文的主要研究内容

第2章 固体介电函数理论计算及实验测量方法

2.1引言

2.2介电函数理论基础

2.3经典和现代理论模型

2.4温度影响介电函数物理机制

2.5介电函数计算方法

2.6 椭圆偏振仪实验装置及工作原理

2.7本章小结

第3章 半导体材料可见光-超紫外波段介电函数温度依变性

3.1引言

3.2锗介电函数温度依变性

3.3碳化硅介电函数温度依变性

3.4 SixGe1-x合金介电函数温度依变性

3.5光伏材料Si3AlAsxP1-x合金介电函数温度依变性

3.6 本章小结

第4章 金属氧化物红外波段介电函数温度依变性

4.1引言

4.2氧化镁介电函数温度依变性

4.3氧化铝介电函数温度依变性

4.4 本章小结

第5章 低维材料介电函数及其温度依变性

5.1引言

5.2低维材料类周期性结构

5.3纳米管介电函数及其温度依变性

5.4石墨烯介电函数及其温度依变性

5.5 新兴二维材料介电函数及其温度依变性

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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