碳化硅电子结构和光学性质温度依赖性的第一性原理研究

摘要

半导体的光学性质是半导体材料最重要的物理性质之一,且随着温度的升高会发生一些变化。然而,我们需要能在宽温度区间等剧烈变化环境中正常工作的光学器件,但实验研究存在着成本高、误差大等缺陷,而计算模拟没有这些缺陷。本文基于密度泛函理论对光学性质温度依赖性进行研究,以期在理论方面对温度影响光学性质的微观机理和计算方法的研究更加深入。论文以三种构型的碳化硅晶体为例,对温度影响碳化硅的能带结构和光学性质进行研究,验证这种计算方法的可行性,同时为碳化硅在极端条件下的应用提供理论指导。
　　论文首先介绍了碳化硅晶体和材料光学性质温度依赖性研究(包括国内和国外)的研究现状并分析这些研究的优缺点,这些研究不仅包含不同温度宏观介电常数的测量方法也包含了介电常数温度依赖性的第一性原理计算,同时也指出本文的研究工作内容。
　　第二章简要介绍了光学介电常数的研究模型,对目前已有的不同研究模型的优缺点进行分析。在此基础上,对比得到并指出现代理论模型(如从头计算方法)的优势,同时指出光学介电常数随频率的色散关系并对联系介电常数实部和虚部的K-K关系进行简要说明。
　　第三章对量子力学原理进行简单说明,重点分析了温度影响电子能带结构的因素,可归纳为晶格热膨胀,电子-声子相互作用,声子-声子相互作用和激子效应等四种主要因素。电子-声子相互作用和声子-声子相互作用是晶格振动的间接体现,而激子效应是电子跃迁中的激元效应。根据光与物质的响应机制,我们可以把不同波长光区域内的光学响应分为可见-紫外光和红外光两种不同的响应区间,并指出不同波长光区间下求解光学介电常数时需考虑引入计算的影响因素。
　　第四章对碳化硅光学性质温度依赖性进行了详细的研究,首先分别对碳化硅基本计算参数如截断能,K剖分和晶格常数进行收敛性分析;然后计算在这种计算参数下的能带结构,态密度,同时加入晶格热膨胀和不同温度下电子-声子相互作用对能带结构进行热修正;最后基于不同温度下的能带结构计算得到该温度下的光学介电常数虚部并由K-K关系导出介电常数实部,把计算结果与已知文献结果进行对比分析,指出温度影响光学性质的一般趋势。论文还对碳化硅在高温下的应用进行理论预测并指出这种计算方法应用在其他材料上的可能性。

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第1章 绪 论

1.1 SiC的发展现状

1.2 光学性质温度依赖性的研究背景及现状

1.3 主要研究内容

第2章 介电常数的认识和计算

2.1 材料极化机理

2.2 介电常数理论模型

2.3 色散关系和K-K变换

2.4 本章小结

第3章 温度影响光学性质理论及计算简介

3.1 密度泛函方法

3.2 温度影响光学介电常数理论基础

3.3 不同光波段的响应机制

3.4 常用计算软件包

3.5 本章小结

第4章 SiC晶体光学性质温度依赖性研究

4.1 3C-SiC光学性质随温度变化研究

4.2 4H-SiC光学性质研究

4.3 6H-SiC光学性质研究

4.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢