MS计算半导体性质的应用

利用Material Studio (其中的CASTEP) 是特别为固体材料学而设计的一个现代的量子力学基本程序, 其使用了密度泛函 (DFT) 平面波赝势方法, 进行第一原理量子力学计算, 以探索如半导体的电子结构以及光学性质等性能, 一般情况下通过掺杂可以有效地调节和改变其性能, 掺杂Al[1,2]、Ga[2,3]、In[2,3,4]等元素可以得到电学性能较理想的n型ZnO薄膜材料, 明显提高ZnO薄膜的电导率, 降低Madelung能改善薄膜的导电性质[5]。CASTAP计算是要进行的三个任务中的一个, 即单个点的能量计算、几何优化或分子动力学。结果分析:CASTAP几何优化任务主要通过系统能量最低和结构最稳定原理允许改善结构的几何并获得稳定结构或多晶型物。通过一个迭代过程来完成这项任务, 迭代过程中调整原子坐标和晶胞参数使结构的总能量最小化。分析出半导体的电子结构和光学性能等。如态密度:利用原始模拟中产生的电荷密度和势能, 非自恰计算价带和导带的本征值。带结构:利用原始模拟中产生的电荷密度和势能。光学性质:计算电子能带间转变的矩阵元素。CASTAP分析对话可用于生成包含可以测得的光学性质的网格和图形文件。根据与实验数据相比较, 说明经过优化后的原胞, 得到更好的性能。

1 半导体掺杂的第一性原理研究

凡是元素周期表上有的原子, 都能进行掺杂, 但是掺杂原子应该遵循两个原则: (1) 掺杂的原子半径不能过大, 如果原子半径大于所选择的原胞中原子的键长, 则无法掺杂。 (2) 掺杂的原子的最外层电子数务必要跟原胞中原子的价电子数相匹配, 如:Si为4价, Ge也为4价, 因此Ge掺杂后不会存在空的悬挂键。除非有特殊需要, 否则存在空的悬挂键将会对原胞的结构稳定性产生影响。

在计算过程中, 设置的参数需要合理。如设置的参数Ecut off, 一旦选取的截止能量合适, 就要进行计算, 得出结果 (系统的总能量就不会再发生改变) 。这也是公认的截止能量选择的原则。需要注意的几个重要的参数:K点, 原子间最小距离原子间最大应。K点:如果K点选择得过多, 会增加计算机的计算量, 有时候甚至会计算失败, 因为迭代次数太多。原子间最小距离:这是几何优化过程中, 将原子移动后的位置与原位置的大小值设定在一定范围内。原子间最大应力:同样是在几何优化过程中, 设置原子与原子之间应为扩张或者压缩而产生的应力设定在一定范围内, 如果过大, 在实际情况中, 则不存在这样的结构, 是不真实的, 模拟出来的结果也不可信。

掺杂原子时标注好内坐标到几何优化结果出来后再对比两者, 即是原子移动的轨迹了。优化方式:L D A与GGA的优劣, 一般来说半导体中如Si和Ge更适合与使用GGA来计算, 这是根据大部分文献报道的结果来推断的, 因为GGA计算的能带结构与光学性质和实验值更加接近, 但仍然存在一定偏差。对于某些电子密度变化缓慢的体系, 利用LDA近似能够得到较好的结果。特别是在计算半导体的物理性质, 比如晶格键长、晶角和晶体结合能, 晶体力学特性等都能够给出理想的结果, 并与实验值比较好地吻合。

1.1 过渡金属掺杂ZnO的电子结构和光学性质

利用基于密度泛涵理论的超软赝势法USPP结合局域密度近似LDA对过渡族金属离子掺杂的纤锌矿型ZnO做第一性原理计算, 得到了它的平衡晶格常数、结合能、电子态密度分布、能带结构、介电函数、光学吸收系数等性质, 详细讨论了掺杂后ZnO化合物的电子结构及成键情况, 并结合实验结果定性分析了掺杂后光学性质的变化。系统分析了杂质离子与阴离子间电荷转移与成键情况, 并着重分析能带结构上得到解释:110eV左右的峰是因为掺入了掺Mn体系的能带结构, 在此基础上研究了其光Mn的3d态电子引起的且由于杂质离子的引入导致了能带的偏移, 所以峰2和峰3的位置也有所偏移。这是由于体系中的3d离子杂质的d-d轨道跃迁引起的[5]。

1.2 掺氮3 C-S i C电子结构的第一性原理研究

虽然SiC四面体键很强, 但是层错形成的能量却很低, 这决定了其多型体系现象。采用广义梯度近似方案处理电子间相互作用的交换关联能量泛函, 电子波函数采用平面波基矢展开, 并采用超软赝势近似离子实与价电子间相互作用, 对掺氮 (3×3×3) 3C-SiC超晶胞电子结构进行了第一性原理研究.对不同掺氮浓度3C-SiC超晶胞的能带结构和态密度进行计算, 结果表明氮原子的2p态和2s态分别占据价带顶和导带底, 随着掺杂浓度的增加, 导带底和价带顶的位置逐渐向低能端移动, 导带底移动速度要大于价带顶, 导致禁带宽度减小。[6]

2 结语

利用Material Studio是特别为固体材料学而设计的一个现代的量子力学基本程序, 其使用了密度泛函 (DFT) 平面波赝势方法, 进行第一原理量子力学计算, 主要通过系统能量最低, 结构最稳定原理, 对半导体的电子结构和光学性质等进行了理论计算, 能带结构计算表明是属于间接或者是直接带隙半导体以及禁带宽度;其能态密度确定的是哪个原子层电子来决定能态密度;计算了半导体的介电函数、反射率和折射率及吸收系数等。比较计算结果与已有的实验数据。

摘要：主要通过系统能量最低, 结构最稳定原理, 采用基于第一性原理的密度泛函理论 (DFT) 赝势平面波方法, 对半导体的电子结构 (能带结构、电子态密度) 和光学性质 (复介电函数、折射率、反色率、吸收系数、能量损失函数及能量损失谱) 等进行了理论计算, 能带结构计算表明是属于间接或者是直接带隙半导体以及禁带宽度;其能态密度确定的是哪个原子层电子来决定能态密度;计算了半导体的介电函数、反射率、折射率及吸收系数等。比较计算结果与已有的实验数据是否符合较好。

关键词：第一性原理,电子结构,光学性质

参考文献

[1] Oh H J, Jeong Y, Suh S J, et al.Elec-trochemical characteristics of aluminadielectric layers[J].J Phys Chem Solids, 2003, 64:2219～2225.

[2] Takahashi H, Fujimoto K, , et al.Dis-tribution of anions and protons in ox-ide films formed anodically onaluminumin a phosphate solution[J].JElectrochem Soc, 1984, 131:1856～1861.

[3] 沈益斌, 周勋, 等.过渡金属掺杂ZnO的电子结构和光学性质[J].物理学报, 56 (7) :3441.

[4] 宋久旭, 等.掺氮3C-SiC电子结构的第一性原理研究[J].西安电子科技大学学报, 2008 (1) :88.