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压力下硅、锗及其合金结构与电子性质的计算机模拟

吕梦雅  
【摘要】:借助计算机,通过理论计算、数值模拟对材料的结构和性质进行预测与设计,以最大限度地减少因盲目或错误实验造成的浪费,是当今材料研究领域的一个方兴未艾的领域。Si和Ge及其合金,以其优异的物理化学性质,在电子学、热学、光学等方面都有着广泛的应用,因此国内外众多研究者多年来一直致力于这些材料的研究。但是,由于Si、Ge及其合金制备工艺以及研究手段的限制,在制备技术、微观结构、物理性质等方面仍有许多问题没有得到解决。本文应用第一性原理和分子动力学结合的方法,研究了Si、Ge、SiGe、GeSn及SiC等合金的高压相变以及电子和光学性质的变化,选题对于亚稳材料的研究具有重要的指导意义。 首先,系统地总结分析了当前Si和Ge及其合金的研究和应用发展现状;阐述了材料模拟的理论基础-密度泛函理论、分子动力学方法和电子能带理论。选择目前应用比较广泛的Si、Ge及其合金化合物系列,利用第一性原理模拟软件进行研究。 其次,系统全面地研究了纯Si和纯Ge高压下的结构演化。得到了Si和Ge各个高压相的相变压力和体积模量。特别研究了锗R8相的电子结构以及压力对其晶体结构的影响,证明该相属于半金属,在Z点附近存在约0.7 eV的能带重叠,与无定型硅的情形类似,键长随压力增加而减小;同时研究了R8锗的态密度中轨道构成情况。 第三,计算分析了应变对SiGe合金导带及价带结构的影响,尤其是直接和间接带隙值的变化,并与未应变SiGe合金的能带情况作了对比;给出了SiGe合金中组分对能带性质的影响。与此同时,系统地模拟了Si_(50)Ge_(50)合金的高压相变序列,得到了ZB相到β-Sn相、β-Sn相到Imma相、Imma相到sh相的相变压力分别为12.3GPa、17.8 GPa和44.5 GPa。研究了组分对Si_(1-x)Ge_x固溶体亚稳相形成的影响,得到0.95的临界组分。 第四,对GeSn合金的晶体结构和电子能带及光学性质进行了研究,根据能带结构中的带间和带内转变解释了其光学转变的机理。研究了组分对Ge_(1-x)Sn_x合金能带结构的影响,得出Ge_(1-x)Sn_x合金中的带隙随组分x增加而减小。对GeSn合金施加压力使能带发生变化,4.8 GPa时由Γ点的直接带隙转变为L点的间接带隙,6.3


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