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作者：钟玉菡西南大学

学位级别：硕士

黄铜矿结构的AⅡBⅣC2Ⅴ和AⅠBⅢC2Ⅵ 三元化合物具有良好的机械、电学和光学性能,并且其非线性光学系数大、中远红外透过率高以及热电优值高,广泛应用于非线性光学器件、发光二极管、半导体激光器、热电转换器件和太阳能电池等领域,具... 详细信息

黄铜矿结构的AⅡBⅣC2Ⅴ和AⅠBⅢC2Ⅵ 三元化合物具有良好的机械、电学和光学性能,并且其非线性光学系数大、中远红外透过率高以及热电优值高,广泛应用于非线性光学器件、发光二极管、半导体激光器、热电转换器件和太阳能电池等领域,具有重要的研究价值。目前,关于Cu基黄铜矿的掺杂和MSnP2黄铜矿半导体的研究主要集中在实验,并且对黄铜矿结构化合物多是B位或C位掺杂而极少涉及A位掺杂。迄今为止,还没有关于Cu1-xAgxInTe2或MSnP2(M=Zn,Cd,Hg)黄铜矿电子结构和物理性质的第一性原理研究,并且HgSnP2化合物还未见有实验合成或是理论预测,而这些基础性质的研究对进一步认识黄铜矿半导体具有十分重要的意义。本文基于密度泛函理论(DFT)的第一原理方法,研究了 Cu1-xAgxInTe2(x=0,0.25,0.5,0.75,1)和MSnP2(M=Zn,Cd,Hg)的晶体结构、弹性力学性质、晶格动力学特性、电子结构、光学性质和热力学性质。Cu1-xAgInTe2为四方晶系晶体,随Ag掺杂浓度增加,Cu1-xxAgInTe2晶格常数和体积单调增加。Cu1-xAgxInTe2弹性常数满足Born Huang弹性力学稳定性判据,表明其具有力学稳定性。Cu1-xAgInTe2晶体是韧性材料,具有弹性各向异性,并且{001}面的各向异性比{100}和{010}面更明显。Cu1-xAgxInTe2晶体沿第一布里渊区高对称点的声子谱中不存在虚频,其晶体结构具有动力学稳定性。CuInTe2和AgInTe2晶体的空间群为I-42d,点群为D2d,包含有五个不可约表示,即 E、A1、A2、B1、B2;Cu0.5Ag0.5InTe2、Cu0.75Ag0.25InTe2、Cu0.25Ag0.75InTe2均属于S4点群,具有3个不可约表示,即A、B、E。本文还通过分析CuInTe2晶体中较为典型的几种原子位移模式,以加深对Cu1-xAgInTe2晶体中声子振动的理解。随着掺杂Ag浓度增加,Cu1-xAgxInTe2晶体的德拜温度降低,而热容增加。在Cu1-xAgxInTe2化合物中,CuInTe2具有最高的德拜温度和最小晶格热导率,Cu0.5Ag0.5InTe2具有最低的最小晶格热导率。Cu1xAgxInTe2化合物是直接带隙半导体,其带隙随着掺杂Ag原子浓度增加而依次减小,分别为1.128 eV、1.086 eV、1.053 eV、1.029 eV 和 1.01 eV。Cu1-xAgxInTe2 单晶具有光学各向异性,在二次谐波产生和光学参量振荡器领域具有潜在的应用。Cu1-xAgInTe2多晶在紫外光区具有较高的吸收系数和光电导率,掺杂Ag原子可以进一步提高其光电导率。并且,在可见光区域内(1.59-3.27 eV),CuInTe2、Cu0.25Ag0.75InTe2 和 AgInTe2 的电导率高于2.1,是性能优良的光电材料。MSnP2(M=Zn,Cd,Hg)晶体是四方晶系晶体,空间群为I-42d,点群为D2d,其晶格常数按ZnSnP2→CdSnP2→HgSnP2的顺序单调增加。MSnP2晶体的结合能和形成能均为负数,表明该晶体具有热力学稳定性。MSnP2晶体弹性常数满足Born Huang稳定性判据,声子谱中没有虚频,表明晶体具有力学稳定性和动力学稳定性。因此,本文预测黄铜矿结构的HgSnP2晶体能够稳定存在,并能够通过实验合成。HgSnP2和CdSnP2晶体的弹性常数非常相近,因此它们具有相似的弹性力学性质。MSnP2晶体具有弹性各向异性,CdSnP2和HgSnP2晶体的弹性各向异性比ZnSnP2晶体更明显。此外,CdSnP2和HgSnP2晶体具有韧性,ZnSnP2晶体具有脆性。MSnP2的声子谱有24个分支,包括3个声学分支和21个光学分支。MSnP2晶体的声子谱及其态密度表明,高频区主要是最轻的P原子振动,而中频和低频区主要是Sn和M(Zn,Cd,Hg)原子振动。MSnP2晶体的点群为D2d,具有5个不可4约表示,即A1、A2、B1、B2和E。A1和A2模式仅涉及P原子的振动,而其他模式涉及M、Sn和P原子的振动。德拜温度按照ZnSnP2→CdSnP2→HgSnP2的顺序降低。随着温度的升高,焓缓慢增加,自由能减少,TS则快速增加。总的来说,这三种MSnP2化合物的热力学性质相似。MSnP2晶体是直接带隙半导体,其带隙值分别为2.062eV、1.424 eV、0.543 eV。由于HgSnP2与其他两种化合物之间的带隙相差较大,ZnSnP2和CdSnP2晶体的光学性质相似,而HgSnP2的光学性质较为特别。在紫外光区域内,MSnP2晶体具有较大的吸收系数和光电导率。在可见光区域内,MSnP2晶体具有非零光电导率,并且在该区域内,Hg

关键词：黄铜矿半导体第一性原理电子结构力学性质光学性质

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几种Ⅱ-Ⅳ-Ⅴ2型黄铜矿半导体材料的第一性原理研究

几种Ⅱ-Ⅳ-Ⅴ2型黄铜矿半导体材料的第一性原理研究

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作者：胡京中国矿业大学

学位级别：硕士

黄铜矿(chalcopyrite)结构半导体在非线性光学、发光二极管、半导体激光器、光电探测器、红外参量振荡器和太阳能电池等领域具有广阔的应用前景,近年来受到科研人员的广泛关注。本文运用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法研究... 详细信息

黄铜矿(chalcopyrite)结构半导体在非线性光学、发光二极管、半导体激光器、光电探测器、红外参量振荡器和太阳能电池等领域具有广阔的应用前景,近年来受到科研人员的广泛关注。本文运用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法研究了几种II-IV-V2型黄铜矿结构半导体材料的结构相变、弹性力学、电子能带、光学性质以及晶格动力学特性,主要工作和获得的结果如下:(1)采用模守恒贋势和广义梯度近似,系统地研究了黄铜矿结构Be Si V2和Mg Si V2(V=P,As,Sb)的电子结构、弹性性能和晶格动力学特性。通过结构优化得到的晶体结构参数与其他文献报道的实验和理论值吻合得很好。基于优化好的晶体结构,从理论上预测了这些化合物的单晶弹性常数、线性压缩系数、体积压缩系数、弹性各向异性因子,以及多晶体积模量、剪切模量、杨氏模量和泊松比。计算结果表明:无论在压缩或剪切情况下,黄铜矿结构的Mg Si V2塑性化合物都比Be Si V2脆性化合物呈现出更显著的四方晶格畸变和弹性各向异性。采用基于线性响应方法的密度泛函微扰理论计算了化合物晶体的声子色散曲线和声子态密度以及红外吸收谱和拉曼散射谱,详细分析了布里渊区中心Γ点拉曼活性模(E、B2、B1和A1)、红外活性模(E、B2)以及非活性模(A2)所对应的声子振动模频率和晶胞中原子的振动模式。我们发现影响声子振动频率的直接因素是构成化学键原子的质量和化学键的键力常数。对声子态密度的分析表明,在黄铜矿Mg Si V2化合物半导体中,Si–V化学键的键力常数要远远强于Mg–V化学键。(2)采用模守恒贋势和广义梯度近似,系统地研究了Cd Sn V2(V=P,As,Sb)化合物半导体的压致结构相变、电子结构、光学特性、弹性力学性能以及晶格动力学和热力学特性。通过结构优化得到的基态晶格参数与其他文献报道的实验和理论值吻合得很好。焓计算结果表明,Cd Sn P2、Cd Sn As2和Cd Sn Sb2化合物分别在29.2 GPa、20.1 GPa和15.8 GPa的静水压力作用下发生了从黄铜矿(CH)结构到盐岩矿(RS)结构的一级相变。详细探讨了这些化合物的带隙能量、单晶弹性常数、多晶体积模量、声子色散谱、红外吸收谱、拉曼散射谱、以及布里渊区中心Γ点的光学声子振动频率等随静水压力的变化关系。分析了这些化合物在高压下的晶格动力学稳定性和弹性力学稳定性。研究结果表明导致Cd Sn V2化合物发生CH→RS结构相变的潜在物理机制可能与压力加载所引起的低频声子模式和剪切弹性模量的软化现象有密切关系。

关键词：第一性原理黄铜矿半导体电子结构光学性质弹性特性晶格动力学压致结构相变

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CuGaTe_2和CuInTe_2的电子和热电性质的第一性原理研究

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物理学报 2016年第15期65卷 171-179页

作者：薛丽任一鸣湖北科技学院电子与信息工程学院咸宁437000

热电材料是通过载流子作用实现热能和电能直接转换的功能材料,在能源、环境、国防等领域具有重要应用.如何提高材料的转换效率是目前热电材料研究的关键.最近发现,三元黄铜矿Ⅰ-Ⅲ-Ⅳ_2(Ⅰ=Ag,Cu;Ⅲ=Al,Ga,In;Ⅳ=S,Se,Te)是一类潜在的... 详细信息

热电材料是通过载流子作用实现热能和电能直接转换的功能材料,在能源、环境、国防等领域具有重要应用.如何提高材料的转换效率是目前热电材料研究的关键.最近发现,三元黄铜矿Ⅰ-Ⅲ-Ⅳ_2(Ⅰ=Ag,Cu;Ⅲ=Al,Ga,In;Ⅳ=S,Se,Te)是一类潜在的高性能热电材料,其结构独特,可通过多种途径优化其性能.本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法系统地研究CuGaTe_2和CuInTe_2的电子特性,为提高其热电效率提供新思路研究发现改进的Becke Johnson-广义梯度近似比广义梯度近似交换关联近似计算的能隙值更接近实验值.基于玻尔兹曼理论研究了体系热电性质,发现通过优化载流子的浓度可以改善体系的热电性.通过拟合计算的晶格热导率发现,在300-800 K,CuGaTe_2和CuInTe_2的晶格热导率和温度成反比,表明其晶格热导率主要来源于声子散射,并且声子散射又是以Umklapp散射为主.CuGaTe_2在700 K的热电优值ZT可以达到0.63,远大于其他Te类材料的ZT值.

关键词：黄铜矿半导体热电材料玻尔兹曼理论第一性原理

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