三元混晶GaxIn1-xP的电子能带结构和有效质量的第一性原理研究

摘要

随着科学技术的进步，Ⅲ-Ⅴ主族半导体及它们的混晶在材料物质的研究领域占有主导地位，具有重要的实际意义，这些半导体的技术应用范围是极为广泛的。GaxIn1-xP就是其中一种重要的三元混晶材料，它的优点有很多，如较低的禁带宽度、较高的电子迁移率、较强的抗辐射能力以及较高的能量转换效率等等，它在光电器件制作、光纤通信、卫星、热光伏发电等方面的应用极为广泛。伴随着计算材料科学兴起和快速发展，电子结构的研究极其重要，它决定了材料光电特性的本质，因此，研究GaxIn1-xP混晶体系的电子结构及光学性质，已经成为挖掘GaxIn1-xP材料应用的重要手段，对发展新型光电材料有极为重要的现实意义。另外，混晶的组分对其物理性质的影响是非常重要的，为此我们应对其进行仔细研究，进一步改善GaxIn1-xP混晶材料的性能，拓宽其应用领域。　　本次工作，整体框架是在密度泛函理论下，运用了第一性原理平面波赝势法，对三元混晶GaxIn1-xP的电子能带结构和有效质量进行了计算，计算过程中采用的软件是QUANTUM ESPRESSO，选用的交换关联势则是广义梯度近似(GGA)。我们给出的计算结果有GaxIn1-xP体系的晶格常数、带隙以及有效质量随Ga组分x的变化情况，x是从0.0到1.0变化，步长是0.125，并讨论了Ga组分对晶格常数和带隙的影响，结果显示晶格常数随组分变化遵守Vegard定律，几乎呈线性递减趋势变化。带隙大约在x=0.7处由直接带隙变为间接带隙。有效质量的计算是沿着Γ(000)高对称点进行的，结果显示，带隙和有效质量随组分x呈非线性变化。计算所得带隙值与实验结果相比，偏小些，出现的偏差是密度泛函理论计算所普遍存在的问题，为此，我们基于剪刀算子法对带隙进行了修正，修正后所得到的结果与实验基本符合，从而验证了计算方法的正确性。最后对三元混晶GaxIn1-xP体系的光学性质进行了研究，其中包括了复介电函数与吸收系数。由计算结果可知，随着组分x的增加，体系静态介电常数在增大，吸收带边出现了蓝移现象，结合电子结构，对元素Ga诱发GaxIn1-xP体系的光学性质改变进行定性的解释。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 InP晶体材料的基本结构和性质

1．2 三元混晶GaxIn1-xP的研究概况

1．2．1 三元混晶GaxIn1-xP的研究意义

1．2．2 三元混晶GaxIn1-xP的研究现状

1．2．3 三元混晶GaxIn1-xP的生长

1．2．4 三元混晶GaxIn1-xP的应用

1．3 第一性原理方法

1．3．1 关于第一性原理方法

1．3．2 第一性原理计算常用软件包

1．4 本文研究目标与主要内容

第二章 理论基础与计算方法

2．1 密度泛函理论

2．1．1 Hohenberg-Kohn定理

2．1．2 Kohn-Sham方程

2．1．3 交换关联泛函

2．2 有效质量

2．3 光学常数

第三章 三元混晶GaxIn1-xP的电子能带结构和有效质量

3．1 计算模型与计算方法

3．2 能带结构和有效质量

3．2．1 晶格常数随组分的变化情况

3．2．2 能带结构及带隙随组分的变化情况

3．2．3 有效质量随组分的变化情况

3．2．4 混晶体系GaxIn1-xP的光学性质

3．3 总结

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文