锗和锗锡合金能带调控的第一性原理研究

发布时间：2020-03-30 13:20

【摘要】：锗和锗锡合金是当前硅基光电集成领域的热点材料,但是其作为间接带隙材料发光效率不高,而且生产高质量单晶难度也较大,这限制了其在光电器件和光电集成等方面的应用。通过能带工程对锗和锗锡合金的能带结构和光学性质进行调控,是改善其能带特性和发光效率的重要途径,这有助于降低生长难度和提高器件质量。本文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,并结合带隙修正理论和能带反折叠技术,较系统地研究了弛豫锗、双轴和单轴应变锗、单轴应变锗锡合金的晶体结构、能带结构和光学性质,主要研究内容和结果如下:1.采用第一性原理方法结合带隙修正理论,研究了锗在不同应变下的能带结构、介电函数和光学性质。计算结果表明,在单轴和双轴应变下锗均可以由间接带隙转向直接带隙,且[110]和[111]单轴应变调控下的带隙高于双轴应变,拥有更小的应变量;(100)和(110)双轴应变调控下的转变点分别为2.62%和3.17%,而[100]、[110]和[111]单轴应变调控下分别为3.03%、1.81%和1.22%;适当应变有助于改善锗的光学性质。2.采用第一性原理方法结合带隙修正理论和能带反折叠技术,研究了弛豫锗锡合金的结构性质、能带结构、态密度和光学性质。研究表明,锗晶体中引入锡元素,可以改变锗锡合金Γ能谷、L能谷和X能谷的相对位置,有效地改善其能带结构,使其从间接带隙材料转变为直接带隙材料,转变点为8.859%,与实验值9%相接近。锗锡合金态密度图中,导带(0eVE5eV)高能量部分主要是锗4s态和4p态的贡献;在价带(-15eVE0eV)高能量区域(-5eVE0eV)主要是锗4p态和锡5p态的贡献,且锗4p态的贡献大于锡5p态,锗4s态和锡5s态也有少量的贡献,在价带部分的低能量区域(-15eVE-5eV),主要贡献是锗4s态和5s态提供。3.采用带隙修正理论和能带反折叠技术,研究了单轴应变锗锡合金的结构性质和能带结构,研究表明,锗锡合金在不同晶向的应变作用下,Γ能谷、L能谷和X能谷的移动速率不同。与单轴[100]应变和单轴[110]应变的结果相比,相同应变下,单轴[111]晶向材料转变为直接带隙所需的锡组分最少,张应变比压应变更有利于锗锡合金能带结构的调控。
【图文】：

金刚石结构,倒空间,布里渊区,能带结构

图 1.1 金刚石结构Fig. 1.1 Structure of diamond图 1.2 倒空间的第一布里渊区Fig. 1.2 First Brillouin zone of inverted space锗和 α-锡晶体的能带结构，可以看出，，碳

倒空间,布里渊区,第一,高效光源

- 2 -图 1.2 倒空间的第一布里渊区Fig. 1.2 First Brillouin zone of inverted space锗和 α-锡晶体的能带结构，可以看出，碳零带隙材料，基本都不适合作为高效光源
【学位授予单位】：中国石油大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN36;TB34

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