β相氮化硅材料的第一性原理研究

摘要

运用局域密度泛函理论可将多电子系统转化为单电子系统，由此对各类半导体材料和金属材料的结合能、晶格常数、体变模量做计算得到了与实验符合很好的结果，使之成为近年来电子理论中的一项重要的成就。在密度泛函理论的框架下，出现了很多算法，常用的有基于原子轨道线性组合的紧密束缚法(LCAO-TB)、正交平面波(OPW)、赝势平面波(PWP)、线性缀加平面波方法(LAPW)、线性Muffin-tin轨道组合方法(LMTO)等。在此基础上发展起来的研究凝聚态物质的各种物理性质的第一性原理理论越来越受到人们的关注，再加上目前大型、高速电子计算机的应用，使得第一性原理在计算和设计材料方面的优越性也显得越来越突出。 氮化硅(Si3N4)具有许多特殊的优越性能，是一种应用前景广阔的陶瓷材料，已广泛应用于微电子、光电子领域。人们对氮化硅研究做了大量的工作，但主要集中在用各种化学气相沉积的薄膜制备上，而且很多工作在实验上目前还难以实现，只能借助计算机用第一性原理方法进行计算和模拟。目前对氮化硅材料的电子结构和光学性质的第一性原理研究较少，特别是碳掺杂的氮化硅材料的第一性原理研究更少。 本论文工作重点讨论了超软赝势平面波方法在氮化硅材料研究中的应用，主要工作包括以下两个方面： 1、采用基于密度泛函的平面波赝势方法(PWP)，对β相氮化硅(β-Si3N4)的电子结构和光学性质进行了计算，交换关联能函数分别用了局域密度近似(GGA)和广义梯度近似(LDA)来描述。对β-Si3N4的结构进行了几何优化，所得晶格常数、能带结构等计算结果均与实验符合较好，运用GGA计算得到的数据比用LDA计算得到的更接近实验值。通过对β-Si3N4材料的能带结构的分析预测了β-Si3N4能带中禁带宽度的实验值将在5.0eV以上；β-Si3N4材料的电子结构研究表明在β-Si3N4中的轨道杂化中其主要作用的是N原子的sp2杂化。我们还进一步计算并分析了高压下β-Si3N4的电子结构和能带结构的变化情况以及光吸收系数、禁带宽度随外压力的变化规律，为β-Si3N4材料在高压情况下的应用提供了理论参考。 2、运用密度泛函平面波赝势方法(PWP)和广义梯度近似(GGA)，对替代式碳掺杂的β-Si3N4的超晶胞电子结构进行了模拟计算，研究了β-Si3N4:C的光学性质和电子结构。对引入碳杂质前后电子结构的异同以及价键的一些性质进行了对比分析发现：C所带正电荷为0.43比任何一类Si原子都要小，C-NI键共价性最强；由于杂质碳的引入，价带宽度展宽，导带宽度和禁带宽度均变窄；态密度出现了几个新的峰，平均峰值有所减小，峰值减小约5电子/eV。通过对比分析发现，相对于β-Si3N4的光吸收系数，β-Si3N4:C的吸收系数大幅度降低，并且向长波方向移动，100nm处的吸收峰向长波方向移动约11.8nm。

目录

文摘

英文文摘

第一章 引言

第二章 基础理论与计算方法

第三章 β-Si3N4电子结构和光学性质的第一性原理研究

第四章 β-Si3N4掺C的电子结构和光学性质的第一性原理研究

第五章 总结与展望

参考文献

附录

致谢