计算物理 ›› 2022, Vol. 39 ›› Issue (5): 609-616.DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8483
收稿日期:
2021-11-26
出版日期:
2022-09-25
发布日期:
2023-01-07
作者简介:
罗强(1975-), 男, 硕士, 副教授, 研究方向凝聚态理论及纳米材料的计算机模拟,E-mail: 93414722@qq.com
基金资助:
Qiang LUO(), Zhiwei MA, Guanzhen JIANG, Jiangfeng ZOU, Yi QIU
Received:
2021-11-26
Online:
2022-09-25
Published:
2023-01-07
摘要:
基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理方法, 用Ge原子分别替代纤锌矿AlN超晶胞中Al、N原子, 得到其结构、电子及光学性质。结果表明: 掺杂后结构发生了明显的改变, 两种方式的掺杂都使得AlN的晶格常数、体积和沿c轴方向的键长增加, 且晶格常数变化满足维加德(Vegard)定理; Ge原子替换Al原子形成能为5.41eV, Ge原子替换N原子形成能为5.58eV, 两种掺杂方式体系稳定性都低于纯AlN; 掺杂并未引入磁性, 前者引入施主杂质能带, 且杂质能带进入价带, 变为负能隙金属, 后者引入受主杂质能带, 禁带宽度为0.910eV, 两者均远小于本征AlN的禁带宽度4.040eV, 前者导电性显著提高, 后者导电性可能提高; 研究发现两种方式掺杂复折射率函数的虚部在低能区都近似不再为0, 表明两种掺杂都加强了AlN材料对低频电磁波的吸收能力; 前者介电函数虚部在低能区出现了新的波峰, 长波吸收能力更强, 后者在低能区未出现明显波峰, 能量损失均减少。
罗强, 马智炜, 蒋冠臻, 邹江峰, 邱毅. Ge掺杂AlN电子和光学性质的第一性原理计算[J]. 计算物理, 2022, 39(5): 609-616.
Qiang LUO, Zhiwei MA, Guanzhen JIANG, Jiangfeng ZOU, Yi QIU. First-Principles Calculations of Electronic and Optical Properties of Ge Doped AlN[J]. Chinese Journal of Computational Physics, 2022, 39(5): 609-616.
截断能Ec/eV | K网格点 | a(b)/nm | c/nm | 带隙值Eg/eV | 总能量E/eV |
460 | 4 × 4 × 3 | 0.626 | 1.003 | 4.014 | -6 240.343 |
460 | 5 × 5 × 4 | 0.626 | 1.003 | 4.014 | -6 240.354 |
517 | 5 × 5 × 4 | 0.626 | 1.003 | 4.040 | -6 242.769 |
550 | 5 × 5 × 4 | 0.626 | 1.003 | 4.045 | -6 243.425 |
550 | 6 × 6 × 5 | 0.626 | 1.003 | 4.045 | -6 243.425 |
表1 收敛性测试
Table 1 Convergence test
截断能Ec/eV | K网格点 | a(b)/nm | c/nm | 带隙值Eg/eV | 总能量E/eV |
460 | 4 × 4 × 3 | 0.626 | 1.003 | 4.014 | -6 240.343 |
460 | 5 × 5 × 4 | 0.626 | 1.003 | 4.014 | -6 240.354 |
517 | 5 × 5 × 4 | 0.626 | 1.003 | 4.040 | -6 242.769 |
550 | 5 × 5 × 4 | 0.626 | 1.003 | 4.045 | -6 243.425 |
550 | 6 × 6 × 5 | 0.626 | 1.003 | 4.045 | -6 243.425 |
a(b)/nm | c/nm | 体积V/nm3 | 被替换位置沿c轴键长/nm | 被替换位置沿其他方向键长/nm | 带隙值Eg/eV | 总能量E/eV | |
AlN | 0.622[ | 0.978[ | 0.379[ | 4.113[ | |||
AlN | 0.626 | 1.003 | 0.393 | 0.191 | 0.190 | 4.040 | - 6 242.769 |
Ge-AlN(Al) | 0.626 | 1.003 | 0.393 | 0.208 | 0.198 | 负 | - 8 661.174 |
Ge-AlN(N) | 0.626 | 1.003 | 0.393 | 0.222 | 0.211 | 0.910 | - 8 491.680 |
表2 结构参数
Table 2 Structural parameters
a(b)/nm | c/nm | 体积V/nm3 | 被替换位置沿c轴键长/nm | 被替换位置沿其他方向键长/nm | 带隙值Eg/eV | 总能量E/eV | |
AlN | 0.622[ | 0.978[ | 0.379[ | 4.113[ | |||
AlN | 0.626 | 1.003 | 0.393 | 0.191 | 0.190 | 4.040 | - 6 242.769 |
Ge-AlN(Al) | 0.626 | 1.003 | 0.393 | 0.208 | 0.198 | 负 | - 8 661.174 |
Ge-AlN(N) | 0.626 | 1.003 | 0.393 | 0.222 | 0.211 | 0.910 | - 8 491.680 |
图3 AlN电子性质 (a) 超晶胞能带结构;(b) 整体电子分波态密度(能量0处为费米能级);(c) Al原子电子分波态密度;(d) N原子电子分波态密度
Fig.3 AlN electronic properties (a) band structure of supercell; (b) global electron fractional density; (c) electron fractional density of Al atom; (d) electron fractional density of N atom
图4 (a) Ge-AlN(Al)超晶胞能带结构;(b) AlN与Ge-AlN(Al)总态密度;(c) Ge原子分波态密度
Fig.4 (a) Ge-AlN(Al) band structure of supercell; (b) AlN and Ge-AlN (Al) total state density; (c) electron fractional density of Ge atom
图5 (a) Ge-AlN(N)超晶胞能带结构;(b) AlN与Ge-AlN(N)总态密度;(c) Ge原子分波态密度
Fig.5 (a) Ge-AlN(N) band structure of supercell; (b) fractional density of AlN and Ge-AlN(N) electrons exclude doping position; (c) electron fractional density of Ge atom
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