基于中性原子叠加模型的正电子计算

摘要

正电子计算是正电子材料研究中的一个重要的不可或缺的研究领域，一个成功的正电子研究要求在正电子实验测量的基础上，计算出正电子湮没特性并和实验结果进行比较，从而分析出材料中可能的缺陷类型和正电子的湮没特性。中性原子叠加-有限差分法(SNA-FD)是正电子计算的一种重要研究方法，与其他方法相比，这种方法计算速度快，计算精度同样优秀，可以处理复杂的缺陷类型，成为目前国际正电子研究中普遍采用的一种计算方法。 本文在分析和研究了大量正电子计算文献的基础上完全独立的编写了基于SNA-FD方法的正电子计算系统，并以Al单晶中的不同类型的空位团簇中的正电子湮没为例对系统进行了全面的测试，测试表明该正电子计算系统可以快速，准确得进行单晶材料中的自由态正电子和各种缺陷附近的束缚态正电子的计算和研究。在此基础上，以正电子计算系统为平台，进行了以下多个方向的正电子计算工作： 计算了元素周期表中已经探明单晶结构的八十多种元素单晶材料内部的正电子湮没情况，给出了元素周期表中各个元素单晶材料内部的自由正电子体寿命，单空位附近的束缚态正电子寿命等，计算出的元素单晶中的自由正电子寿命结果大部分与实验测量值符合很好，只有个别的有较大的偏差。说明用局域密度近似(LDA)和广义梯度近似(GGA)都可以很好的计算元素单晶中的自由态正电子湮没信息。元素单晶中的单空位附近的束缚态正电子寿命计算时与实验结果比较一部分符合的很好，还有一部分单空位附近的束缚态正电子寿命值与实验结果比较相差较大，这可能是计算中固定了单空位的近邻原子，没有考虑单空位形成时周围原子的重新排布造成的，也可能是该方法的固有缺陷。这个工作为以后各种元素单晶的实验测量工作提供了大量可供参考，对比和分析的理论数据，为后续单晶材料的研究提供了一个丰富的理论指导平台。 研究了碳的多种同素异形体(石墨，金刚石，C60，碳纳米管)的正电子湮没信息。计算结果表明：在片层结构的石墨晶体中，正电子主要在石墨层间的空隙中湮没，计算出的石墨中的正电子寿命为208 ps，与文献中的实验结果215 ps符合很好，在金刚石单晶中，正电子主要在碳原子之间的空隙中存在并发生湮没，计算出的金刚石中的正电子寿命为115 ps，文献中的实验结果110 ps左右符合；在面心立方结构的C60晶体中，正电子主要在C60分子球壳内外侧及分子之间存在，C60球形分子中心正电子分布很少，正电子的湮没区域集中在C60分子之间的空隙区域，计算出的C60中的正电子寿命为352 ps与文献中的实验结果356ps相符合；对于不同管径碳米管束中的正电子分布，随着碳纳米管直径的增加，碳纳米管束中的正电子由主要在碳纳米管管间的区域出现转变为主要在碳纳米管管内中心的区域出现；碳纳米管束中的正电子与碳原子的价电子的湮没概率变得越来越大，与核心电子的湮没概率变得越来越小；碳纳米管束中正电子的湮没寿命先迅速增大，而后趋于一定值。计算得到管径范围在0.8～1.6 nm的碳纳米管束的正电子寿命范围为332～470 ps，与实验测得的394 ps符合。 研究了目前应用非常广泛的化合物半导体材料(ZnO，GaN，GaAs，SiC，InP)中的正电子湮没行为。计算了这几种材料中的自由正电子寿命，各种单空位附近的束缚态正电子寿命，各种类型双空位附近的束缚态正电子寿命。下面以晶体分类以GGA为例说明计算结果(未指明的都是理论计算值)： 单晶ZnO中的自由正电子体寿命是177ps，与文献中的170ps符合得很好。单晶ZnO中的Zn单空位的正电子寿命是237ps，与文献中的230ps符合得很好。单晶ZnO中的O单空位不能捕获正电子而使之形成束缚态，O单空位附近的正电子仍然可以热运动到晶体的其它区域并随之发生湮没，说明正电子测量不能准确而清晰的反映ZnO单晶材料中的O空位信息。Zn双空位的正电子寿命是259ps，Zn-O双空位的正电子寿命是266ps，这与一些文献中的260ps左右的实验观测值相一致，说明这些材料中可能存在Zn双空位或者Zn-O双空位。与O单空位不同，计算发现O双空位可以捕获正电子而形成束缚态，O双空位的正电子寿命是188ps，与ZnO单晶体寿命非常接近，因而正电子寿命谱测量中在目前的精度下很难从ZnO体寿命中区分出O双空位的正电子湮没成分。 单晶GaN中的自由正电子体寿命是153ps，与文献中的实验测量值160ps基本符合。Ga单空位的正电子寿命是214ps，N单空位不能捕获正电子而形成束缚态，N单空位附近的正电子仍然可以热运动到晶体的其他区域并发生湮没，这说明正电子测量技术不能准确而清晰得反应GaN单晶中的N单空位信息。Ga双空位的正电子寿命227ps，Ga-N复合空位的正电子寿命是238ps，N双空位可以捕获正电子而形成束缚态，N双空位附近的束缚态正电子寿命是161ps，这与GaN的体寿命非常接近，因此GaN的正电子寿命测量中不能从正电子体湮没信息中准确的提取出正电子在N双空位中的湮没信息。 单晶GaAs中的自由正电子体寿命是221ps，与文献中的实验测量值229ps符合。Ga空位和As空位都可以捕获正电子而形成束缚态，Ga单空位的正电子寿命是263ps，与文献中实验测量值262ps符合。As单空位的正电子寿命是255ps，与文献中的257ps相符合。Ga双空位的正电子寿命是274ps，As双空位的正电子寿命值是271ps，Ga-As复合空位的正电子寿命是319ps。可以看出，两个单空位的正电子寿命值和两个同类双空位的正电子值都非常接近，实际应用中必须结合材料的具体加工工艺和处理手段来分析空位可能的类型。 单晶SiC中的自由正电子体寿命是131ps，与文献中实验测量值136ps符合。Si单空位的正电子寿命178ps，与文献中实验测量值176ps相符合，计算发现SiC单晶中的C空位不能捕获正电子而形成束缚态，C空位附近的正电子仍然可以热扩散到晶体的其他区域并发生湮没，这说明正电子测量不能准确的反应SiC单晶中的C单空位信息。Si双空位的正电子寿命是191ps，与实验测量值210ps有一定差距。计算出的C双空位可以捕获正电子而形成束缚态，C双空位的束缚态正电子寿命是144ps，与SiC单晶的正电子体寿命接近，在正电子寿命测量中不能区分正电子体寿命和C双空位处的束缚态寿命。Si-C双空位寿命是203ps，与文献中的实验测量值209ps符合。 单晶InP中的自由正电子体寿命是237ps，与文献中实验测量值234ps符合。In单空位的正电子寿命是294ps，与实验测量值283ps符合。P单空位可以捕获正电子而形成束缚态，P单空位的束缚态正电子寿命255ps。In双空位的正电子寿命是313ps，P双空位的正电子寿命是265ps。In-P复合空位的正电子寿命是345ps，与文献中的实验测量值340ps符合。 研究了高温超导体中的正电子湮没信息。计算了铜基高温超导体YBaCuO和铁基高温超导体SmFeAsO单晶及内部各种单空位型缺陷中的正电子分布和寿命信息。计算表明两种高温超导体中的O空位都不能捕获正电子而形成束缚态。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 正电子理论计算系统概述

1.1正电子学简介

1.1.1正电子历史

1.1.2正电子谱学原理

1.2正电子实验技术

1.3正电子理论计算技术

1.4正电子理论计算系统的搭建

1.5单晶铝内各种空位型缺陷的正电子计算(系统检验)

第二章 周期表中元素单晶正电子计算

2.1氢(H)

2.2氦(He)

2.3锂(Li)

2.4铍(Be)

2.5硼(B)

2.6碳(C)

2.7氮(N)

2.8氧(O)

2.9氖(Ne)

2.10钠(Na)

2.11镁(Mg)

2.12铝(Al)

2.13硅(Si)

2.14磷(P)

2.15硫(S)

2.16氯(Cl)

2.17氩(Ar)

2.18钾(K)

2.19钙(Ga)

2.20钪(Sc)

2.21钛(Ti)

2.22钒(V)

2.23铬(Cr)

2.24锰(Mn)

2.25铁(Fe)

2.26钴(Co)

2.27镍(Ni)

2.28铜(Cu)

2.29锌(Zn)

2.30镓(Ga)

2.31锗(Ge)

2.32砷(As)

2.33硒(Se)

2.34氪(Kr)

2.35铷(Rb)

2.36锶(Sr)

2.37钇(Y)

2.38锆(Zr)

2.39铌(Nb)

2.40钼(Mo)

2.41锝(Tc)

2.42钌(Ru)

2.43铑(Rh)

2.44钯(Pd)

2.45银(Ag)

2.46镉(Cd)

2.47铟(In)

2.48碘(I)

2.49氙(Xe)

2.50铯(Cs)

2.51钡(Ba)

2.52铈(Ce)

2.53镨(Pr)

2.54钕(Nd)

2.55钷(Pm)

2.56钐(Sm)

2.57铕(Eu)

2.58钆(Gd)

2.59铽(Tb)

2.60镝(Dy)

2.61钬(Ho)

2.62铒(Er)

2.63铥(Tm)

2.64镱(Yb)

2.65镥(Lu)

2.66铪(Hf)

2.67钽(Ta)

2.68钨(W)

2.69铼(Re)

2.70锇(Os)

2.71铱(Ir)

2.72铂(Pt)

2.73金(Au)

2.74汞(Hg)

2.75铊(Tl)

2.76铅(Pb)

2.77钋(Po)

2.78镭(Ra)

2.79锕(Ac)

2.80钍(Th)

2.81镤(Pa)

2.82铀(U)

2.83镎(Np)

2.84钚(Pu)

2.85镅(Am)

2.86锔(Cm)

2.87锫(Bk)

2.88锎(Cf)

2.89总结与分析

2.89.1 LDA方法

2.89.2 GGA方法

第三章 碳同素异形体的正电子计算

3.1石墨，金刚石和C60的正电子计算

3.1.1石墨

3.1.2金刚石

3.1.3 C60

3.2不同管径多壁碳纳米管束的正电子计算

第四章 化合物半导体的正电子计算

4.1化合物半导体材料-ZnO

4.1.1自由态正电子湮没

4.1.2 Zn单空位

4.1.3 O单空位

4.1.4 Zn双空位

4.1.5 O双空位

4.1.6 Zn-O双空位

4.1.7 ZnO中正电子湮没行为总结与分析

4.2化合物半导体材料-GaN

4.2.1 自由态正电子湮没

4.2.2 Ga单空位

4.2.3 N单空位

4.2.4 Ga双空位

4.2.5 N双空位

4.2.6 Ga-N双空位

4.2.7 GaN单晶中正电子湮没行为总结与分析

4.3化合物半导体材料-GaAs

4.3.1 自由正电子湮没

4.3.2 Ga单空位

4.3.3 As单空位

4.3.4 Ga双空位

4.3.5 As双空位

4.3.6 Ga-As双空位

4.3.7单晶GaAs中正电子湮没行为总结与分析

4.4化合物半导体材料-SiC

4.4.1自由态正电子湮没

4.4.2 Si单空位

4.4.3 C单空位

4.4.4 Si双空位

4.4.5 C双空位

4.4.6 Si-C双空位

4.4.7 6H-siC单晶中正电子湮没行为总结与分析

4.5化合物半导体材料-InP

4.5.1自由态正电子湮没

4.5.2 In单空位

4.5.3 P单空位

4.5.4 In双空位

4.5.5P双空位

4.5.6 In-P双空位

4.5.7 InP单晶中正电子湮没行为总结与分析

第五章 高温超导体的正电子计算

5.1铜基高温超导体YBaCuO中正电子湮没及分布

5.1.1 自由正电子湮没

5.1.2 Y单空位

5.1.3 Ba单空位

5.1.4 Cu单空位

5.1.5 O单空位

5.1.6 YBa2Cu3O7单晶正电子湮没总结与分析

5.2铁基高温超导体SmFeAsO中的正电子湮没

5.2.1 自由正电子湮没

5.2.2 Fe单空位

5.2.3 Sm单空位

5.2.4 As单空位

5.2.5 O单空位

5.2.6 SmFeAsO正电子湮没总结

第六章结束语

参考文献

致谢

在读期间发表的论文与取得的研究成果