闪锌矿（GaSb）_m（ZnTe）_n超晶格光学性质的研究

发布时间：2017-10-17 11:29

  本文关键词：闪锌矿（GaSb）_m（ZnTe）_n超晶格光学性质的研究

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【摘要】：本文通过第一性原理基本方法,研究计算GaSb/ZnTe超晶格材料的基本电子和光学性质。基于密度泛函基本理论,采用HSE06函数,运用Hartree-Fock基本方法。通过对闪锌矿材料晶体结构的研究,以及对超晶格材料基本理论方法的应用,寻找性质优异的超晶格材料。在计算过程中我们统一采用PBE赝势。对新建的所有结构都进行了结构优化,让这些结构收敛到稳定的位置,以减小晶格形变带来的计算误差。同时严格的控制了计算精度,实现更准确的理论预测。然后,通过对这一类超晶格的性质计算和数据研究分析,寻找性质优异的材料运用于太阳能电池和LED发光。首先,研究闪锌矿材料的基本性质。我们发现闪锌矿材料GaSb和ZnTe,它们在光学方面具有一定的优势,同时也受到一定的限制。我们希望运用超晶格的基本方式,来实现对这两种材料光学性质的改进。闪锌矿GaSb和ZnTe的晶格系数比较接近,晶格匹配性很好。所以,用来构建超晶格是相对可行的。重构的GaSb/ZnTe超晶格结构,由于计算资源的限制。我们严格的控制了晶体结构的原子数目,并且只选取了[001]、[110]和[111]三个特殊的晶格生长方向。当原子数目和生长方向确定后,采用排列组合的基本方法构建超晶格结构,利用晶体对称性消去重复的晶体结构。然后,对这类材料进行基本的理论计算。计算发现,对于ZnTe和GaSb的跃迁矩阵元,它们的跃迁矩阵元主要集中在Γ点附近,远离Γ点的数值较小。由于跃迁矩阵元正比于跃迁概率,所以远离Γ的跃迁的概率也就相对较小。对GaSb/ZnTe超晶格的跃迁矩阵元的分析发现。在不同的晶格生长方向上,这类晶格的跃迁矩阵元存在很大的差异,在[110]和[111]晶格生长方向上较为优异。对GaSb/ZnTe超晶格的带隙分析发现。在[001]、[110]和[111]三个晶格生长方向,这些超晶格的带隙较好的覆盖了一定区域类的可能带隙数值。通过重复Shocldey-Queisser的基本理论。分析发现当材料的带隙间于1.0-1.5ev时,对光吸收的效率才能达到较高的位置。对于[110]和[111]晶格生长方向的晶体材料,它们的带隙大多数处于这个范围内,所以对光吸收转换效率具有一定的优势。考虑上述基本性质之后,对于材料的应用还得考虑结构的稳定性。在本文,我们还计算这类材料的合成能。相对而言,越稳定的结构合成能也就越低。计算发现,合成能较低的结构主要存在于[110]晶格生长方向,也就是说这个方向的晶体结构比其它方向要稳定。再则,通过上述条件筛选出了一些性质优异的超晶格结构。为了验证方法的可行性和计算的科学性,同时更好的分析了解超晶格在光吸收系数方面的基本性质。我们计算了GaSb/ZnTe超晶格和常见太阳能电池材料的吸收系数。通过参照AM1.5标准谱线,对比分析超晶格与常见太阳能电池的吸收特性。验证了我们筛选新结构的方法,是科学可行的。分析发现GaSb/Zn Te超晶格的吸收系数,主要集中在1.0-1.5ev之间,在这个范围内能够获得相对较多的太阳能。对于太阳能电池转换效率来讲,这些超晶格可以获得更理想的截断电源和开路电流,达到对太阳能转换效率的提升。最后,为了获得更确切的理论支撑。我们计算了一部分超晶格结构对可见光吸收的极限效率(Spectroscopic Limited Maximum Efficiency)。通过对计算结果的分析,我们现这类材料的吸收效率很理想。最大吸收效率可以达到31.38737%。充分说明了这类材料在太阳能电池的应用方面具有较大的发展潜力。由于这类材料的巨大发展潜质,以及理想的光学带隙。我们还发现这类材料在LED发光方面具有一定的发展潜力,尤其是在LED发光的空白区域。通过超晶格基本理论,控制晶体的电子性质,获得特殊需求的发光材料。所以我们预测,这类材料在LED发光领域具有较大的发展潜能。
【关键词】：光学性质 跃迁矩阵元 合成能 光吸收 发光 超晶格
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O734
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 1 绪论9-13
• 1.1 问题的提出及现状9-11
• 1.1.1 能源问题9-10
• 1.1.2 研究的意义10-11
• 1.2 本文的目的和基本内容11-13
• 2 理论方法13-25
• 2.1 构造超晶格材料晶体结构的基本方法13-19
• 2.1.1 闪锌矿材料的晶体结构13-15
• 2.1.2 超晶格材料简介15-17
• 2.1.3 利用数组产生超晶格机构17-19
• 2.2 第一性原理计算超晶格19-24
• 2.2.1 结构优化20-21
• 2.2.2 PBE和LDA赝势21-22
• 2.2.3 Hartree-Fock理论和混合交换相互作用函数22-24
• 2.3 小结24-25
• 3 闪锌矿GaSb，ZnTe和GaSb/ZnTe超晶格的带隙25-30
• 3.1 闪锌矿材料GaSb和ZnTe带隙计算分析25-26
• 3.2 GaSb/ZnTe超晶格的带隙计算分析26-29
• 3.3 小结29-30
• 4 GaSb/ZnTe超晶格的基本光学性质研究30-43
• 4.1 GaSb/ZnTe超晶格的跃迁矩阵元30-33
• 4.2 介电函数33-35
• 4.3 光吸收和光反射系数35-37
• 4.4 可见光吸收效率37-41
• 4.4.1 太阳能电池光能转换的极限效率曲线（Shocldey-Queisser）38-39
• 4.4.2 可见光吸收的极限效率（SLME）39-41
• 4.5 小结41-43
• 5 GaSb/ZnTe超晶格结构筛选43-48
• 5.1 合成能43
• 5.2 结构筛选的基本标准43-45
• 5.3 小结45-48
• 6 GaSb/ZnTe超晶格材料的基本应用48-52
• 6.1 太阳能电池48-50
• 6.2 LED发光50-51
• 6.3 小结51-52
• 7 结论与展望52-54
• 7.1 主要结论52-53
• 7.2 后续研究及展望53-54
• 致谢54-55
• 参考文献55-61
• 附录61
• A 作者在攻读硕士期间论文目录61

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本文编号：1048590