第一性原理研究半导体绝对形变势及其在能带偏移中的应用

摘要

‘半导体的绝对形变势是描述材料某一能级位置(比如价带顶和导带底) 相对于体积形变的关系，这是描述半导体中电声相互作用的一个重要参数，也是经验赝势方法中为了使赝势有更好的平移性而经常采用的一个参数。关于半导体给绝对形变势的研究在国际上一直存在争论。主要是在第一性原理计算中找不到一种合适的和体积形变无关的参考能级。因为第一性原理计算在解泊松方程的时候势函数有个常数项的不确定性，这导致计算得到的体系中的所有能级的绝对位置和总能都是不确定的，这样不同形变的体系就不能直接比较它们之间的能级差，因此就不能直接得到半导体中某个能级的绝对形变势的值。过去很多作者采用不同的模型算出来的价带顶的值相差很大，有些人算出来的结果是正的，有些人算出来的结果是负的，这个问题一直没有解决。 我们采取求一个沿某一方向的两端具有不同形变的超原胞中某一芯能级的形变势的方法，间接得到沿某个方向的价带顶的绝对形变势：然后我们通过Harmonic函数展开的方法，得到一个与角度无关的量，我们定义它为流体静力学下的绝对形变势的值。我们首先研究不同截断对结果的影响，发现只要取比较低的截断就能收敛到很好的结果。然后我们发现，计算得到的绝对形变势的值和参考能级的选择无关，这说明我们的模型是自洽的，同时也说明绝对形变势是一个很好的体的参数。我们选择了三个典型的体系，非极性的Si和极性的GaAs以及Znse。我们计算的价带顶的绝对形变势都是正的，并和材料的离子性以及p-d杂化有关系。一般离子性越强，绝对形变势值越小，而且p-d杂化对价带顶的绝对形变势一般有负的作用，由于zn有个浅的d电子，这样znse中的p-d杂化作用就比较强，导致znse价带顶的绝对形变势的值要小很多。我们这部分的工作发表在APL上。 我们进一步计算了所有的ⅠV，Ⅲ-V和Ⅱ-Ⅵ族半导体的绝对形变势，并研究它们的化学趋势。我们发现所有的半导体的价带顶的绝对形变势都是正的，导带底的绝对形变势都是负的，这和紧束缚近似下的结论一致。我们根据原子轨道能级，并结合紧束缚近似，分析了它们的化学趋势。我们发现价带顶的绝对形变势值和原子间的键长，阴阳离子之间的轨道能级差有关系。比如对于非极性的Ⅵ族半导体的导带底的绝对形变势的值随着键长的增加而逐渐减小；其它对于lll-V和lI-VI族化合物半导体则和键长以及阴阳离子原子轨道能级差有关。这篇文章发表在PRB上。 对于晶格不匹配的两个体系的能带偏移值，不同的实验条件下测量的值各不相同，这主要和晶格的。应变有关。因此不同作者测量的值就没法直接比较，也无法分析它们的化学趋势。最近，我们结合前面计算的半导体的绝对形变势的值，计算了所有的IV，Ⅲ-V族和lI-VI族半导体在平衡体积下的能带偏移值。我们发现它们满足很好的传递性规则，同时也说明半导体的绝对形变势是一个很好的体性质。这样我们就根据计算得到的能带偏移的值，得到了一张所有半导体的价带顶的相对位置的标定图，我们分析了它们的规律和化学趋势。这部分的计算工作已经基本完成，正在整理成文。

目录

文摘

英文文摘

绪论

第一章第一性原理研究半导体流体静力学的绝对形变势

第二章第一性原理Ⅱ-Ⅳ，Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ族半导体的绝对形变势及其化学趋势分析

第三章第一性原理研究Ⅱ-Ⅵ，Ⅲ-Ⅴ和Ⅳ族化合物半导体在平衡体积下的能带偏移：化学趋势和阳离子d轨道所起的作用

参考文献

后记

博士生期间发表的学术论文

博士后期间发表的文章