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Si/Ge纳米薄膜光电性质的模拟计算分析

鲁源坤  
【摘要】: 本论文采用基于密度泛函理论的CASTEP软件,在第一性原理的方法的支撑上,对Si、Ge、Si/Ge进行了结构的优化,并系统地研究了它们的几何结构、电子结构和光学性质。 分析单晶Si计算所得的结构、能带、态密度和吸收谱,可以看出,在费米能级附近P轨道的态密度远大于S轨道的态密度,室温下体相Si在可见光范围内对光的吸收非常微弱,由于求解Kohn-Sham方程往往没有考虑体系的激发态,使得基本带隙宽度比实验值小,计算后的Si晶格参数与实验数据基本吻合,这就说明本论文所选计算方法的可靠性。建立Si和Ge的掺杂结构模型,Ge原子以替位式杂质的形式存在于Si晶体中,掺杂摩尔比约为3.1%。研究其计算结果得到以下结论:Ge/Si包埋结构是间接带隙半导体,禁带宽度略小于Si;Ge/Si包埋结构的吸收系数发生明显变化,掺杂Ge原子后,Ge原子价电子组态4s4p使得Ge/Si包埋结构费米能级附近处的电子态密度有一定得减弱,使Ge/Si包埋结构的吸收系数减小,但吸收带边有明显的蓝移,并且吸收带宽明显变窄。 分析单晶Ge计算所得的结构、能带、态密度和吸收谱,结果表明,室温下单晶Ge光吸收峰在5.0eV处,位于紫外区域,对可见区光吸收较弱;Ge为间接带隙半导体,带隙约为0.677eV。随后对Si/Ge层状结构的能带结构和光学性质进行了研究。与Ge/Si镶嵌结构类似Si/Ge层状结构也是间接带隙半导体,禁带宽度较小,大约为0.37648eV;通过对布局值的分析可得,在加入Ge层后,Si-Ge键长比Si-Si键长大,这是因为在Ⅳ族原子中,原子半径随着原子序数的增加而增大;Si/Ge层状结构的吸收系数在加入Ge层后发生变化,由于Ge原子价电子组态致使Si/Ge层状结构费米能级附近处的电子态密度增强,即通过夹杂Ge原子层,使Si/Ge层状结构的吸收系数增大,但吸收带边有明显的红移,并且吸收带宽明显变窄。


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