红外光电材料无序PbS的第一性原理研究

【摘要】： 非晶态半导体是凝聚态物理学中最为活跃的领域之一。非晶态半导体化合物PbS材料,被发现在红外探测,特别是在高度集成的红外探测器上有较大的优势,尤其是最近发现用PbS和金材料做出的探测器的检测灵敏度与当今最好的探测器相比可提高两个数量级,已经开始引起国内外的广泛关注。 非晶态半导体的计算机模拟不仅可以用来分析和解释实验现象的机理及成因,而且可以在实验前预测新的现象和物性。对于在科学技术上获得新材料和新器件以及认识固体理论中的许多基本问题具有至关重要的意义。 本文利用第一性原理方法,在理论上对PbS晶体以及完好和包含空位缺陷的PbS(-100)表面的电子结构和几何结构等进行了研究,所用软件为Cerius~2软件中剑桥大学开发的CASTEP软件包,主要结论如下: 1)基于第一性原理方法,分别采用基于广义梯度近似(GGA)和局域密度近似(LDA)的四种不同的交换关联势,计算了闪锌矿结构PbS的能带结构、态密度、分态态密度等。讨论了不同交换关联势对计算结果的影响,LDA给出较好的带隙值,而GGA给出较好的晶格常数。对比面心结构、体心结构和闪锌矿结构PbS的计算结果,我们得出面心结构PbS最稳定。我们的计算结果与实验结果以及其他理论结果符合得很好。 2)分别对完好的PbS(-100)超晶胞体系;包含一个S(或Pb)原子空位缺陷的36、48原子PbS(-100)超晶胞体系;包含一个(或两个)S(或Pb)原子空位缺陷64原子PbS(-100)超晶胞体系的能带结构、态密度、分态态密度等进行了详细计算。几何结构优化结果显示PbS(-100)表面不发生重构,但表面原子出现弛豫现象。依据能带结构和态密度解释了PbS的电子结构及几何结构弛豫的特点及成因。结果表明:S原子空位缺陷使体系的总态密度整体向低能端移动,S原子空位等价于施主原子,使PbS(-100)体系变成n型半导体,而Pb原子空位缺陷使体系的总态密度整体向高能端移动,Pb原子空位等价于受主原子,使体系变为p型半导体。而且,随着空位数目的增加,总态密度的移动更明显。 3)最后给出了一个简短的研究工作总结。