高压下纤锌矿半导体的杂化密度泛函理论研究

文章通过第一性原理计算，系统地研究了纤锌矿型半导体在静水压力的作用下发生的一系列变化，例如结构相变，能带变化和弹性变化。我们使用HSE06杂化密度方法，通过与广义梯度近似（GGA）方法及局域密度近似（LDA）方法作比较，证实了HSE06杂化密度方法在能带计算的结果上更加优于普通的密度泛函（DFT）方法。我们使用HSE06杂化密度方法，得到了更加接近于实验值的能带值。通过对比数种方法得到的结果，清晰地显示出利用不同的方法所获得的结果有着相同的性质，在不考虑数值大小的情况下，所有材料的变化曲线有着相同的趋势。与此同时，在归纳、分析计算结果的基础上，我们得到以下结论： （1）纤锌矿结构的半导体材料在静水压力的作用下，会有结构相变发生——从稳定态的纤锌矿结构转变为亚稳定相的类石墨结构（或者称作h-MgO结构），即由每个阳离子（阴离子）和4个阴离子（阳离子）连接的结构变为每个阳离子（阴离子）和5个阴离子（阳离子）相连接，这与纤锌矿结构的半导体在大的单轴压缩应力或大的双轴拉伸应力下的变化结果相类似； （2）纤锌矿结构的半导体在相变过程中会发生带隙结构的改变，在直接带隙与间接带隙之间变化，例如氧化锌（ZnO）在相变发生前是直接带隙，导带最小值（CBM）和价带最大值（VBM）都在点，当压力值增大到相变临界值P=58GPa后，H点在价带的能量值突然增大，与点的能量值几乎相同，带隙由直接带隙逐渐转变为间接带隙； （3）随着静水压力的增大，计算结果显示出半导体的带隙值是持续增加的，这与单轴应力和双轴应力下的能带值变化完全不同——在单、双轴应力下，能带值是减小的，甚至在大的双轴压缩应力下，氮化镓（GaN）的带隙值减小为0，成为半金属的存在，导电性更强； （4）超晶格结构材料的出现，使得光电应用领域在材料的选择上范围更加广泛，我们通过计算1×1×2型氮化铝镓的性质，发现其结果与纤锌矿型半导体结果类似，同时，能带值也满足计算公式Eg(x)=6.2x+3.4(1-x)-x(1-x)，当x值取0.5时，得到Eg值为4.55eV，我们的理论结果3.90eV与之很接近。