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高压下二元碲化物结构和性质的理论计算研究

高压下二元碲化物结构和性质的理论计算研究

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作者：陈公达哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

二元碲化物材料具有非常广泛的用途,在热电材料领域、光电探测和相变存储材料领域更是应用广泛。如InTe和InTe在光电探测领域有非常大的应用前景,BiTe是现在已知热电效应最好和应用最多的二元碲化物材料,GeTe薄膜是非常好的二元碲化物... 详细信息

二元碲化物材料具有非常广泛的用途,在热电材料领域、光电探测和相变存储材料领域更是应用广泛。如InTe和InTe在光电探测领域有非常大的应用前景,BiTe是现在已知热电效应最好和应用最多的二元碲化物材料,GeTe薄膜是非常好的二元碲化物相变存储材料。二元碲化物在应用方面主要是作为薄膜材料,而高压技术可以模拟薄膜和基底之间由于晶格失配产生的效应。本论文主要利用第一性原理模拟计算的方法,研究二元碲化物的相变序列和相变临界压力,考察晶体的晶胞参数、几何键长、电子能带结构、差分电荷密度、电荷布居等微观结构和性质在高压下的演化规律,探索宏观晶体改变的内在微观机制,为二元碲化物在高压下的演化规律进一步提供理论支持。本论文对于InTe晶体的几个可能存在的高压相结构---TlSe-InTe(B37)、NaCl-InTe(B1)、CsCl-InTe(B2)、闪锌矿型-InTe(B3)、HgMn-InTe、Pnma-InTe进行了常压至45 GPa的高压结构弛豫优化。对于优化后各相结构的焓值进行焓差计算并得到InTe在高压下有两种共存的相变:序列一为B37相在约5 GPa相变为B1相,在约15 GPa由B1相转变为Hg Mn相,其中B1相为高压下的亚稳态相;序列二为B37相在约25 GPa时可以直接转变为HgMn相。电子结构研究发现,B37相和HgMn相在各自的压力范围内均表现为金属相。对于γ-InTe、CN7M-InTe、CN8M-InTe、CN9M-InTe、BCT-InTe进行了常压至45 GPa的高压结构优化。发现γ-InTe相在约18 GPa时转变为BCT-InTe相,在约9 GPa左右发生了等结构相变。通过对γ-InTe和BCT相的电子结构研究发现它们均表现出金属性,而对γ-InTe相的bader有效电荷和键长研究发现它在9 GPa附近发生等结构相变的原因是发生了电子拓扑转变。最后,本文对具有辉碲铋矿结构的BiTe、SbTe和AsTe进行了优化计算研究,发现BiTe和AsTe分别在3 GPa和8GPa附近发生了由电子拓扑转变引起的等结构相变现象。在电子拓扑转变压力处,BiTe,AsTe的电子结构和键长均发生了不连续变化,AsTe中费米面附近的能带结构形貌发生了剧烈改变。与VA族辉碲铋矿型二元碲化物相比,γ-InTe在高压下具有更高的等结构相变压力,更小的轴比率和体积压缩率,以及更小的电荷转移量,这些差异可能是由In原子与VA族原子不同的电子构型导致的。

关键词：二元碲化物焓差等结构相变电子拓扑转变 bader有效电荷

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