Ge3N4的準粒子能帶結構計算.pdf

1、電子能帶結構能夠給出一個固體材料的電子和光學性質。第一性原理計算是在對材料性質進行計算時,只使用所涉及的原子的原子序數(shù),而沒有其他經(jīng)驗或半經(jīng)驗參數(shù)的加入。這種計算方法相比經(jīng)驗和半經(jīng)驗公式的計算量更大,但第一性原理計算具有更強的預測能力。Hartree-Fock理論和密度泛函理論(DFT)在量子化學和凝聚態(tài)科學中被廣泛應用。DFT以電子密度作為自由度,從而減少了以波函數(shù)為基礎的計算體系中自由度的數(shù)量。由于準確的交換關聯(lián)泛函無法得到,DFT

2、通常采用局域密度近似(LDA)方法來將交換關聯(lián)勢描述成以電子密度為自變量的形式。為了更進一步的減少計算量,構造了一種代替真實勢的勢函數(shù),即贗勢。它與真實的勢在芯電子區(qū)域外的價電子軌道擁有同樣的散射性質。DFT-LDA方法已經(jīng)成功地應用在對分子和晶體的結構和基態(tài)電子性質的計算上,但它在計算材料的禁帶寬度時卻常常偏小,具有較大的誤差。為了得到比較精確的能帶結構,引入了一種準粒子計算方法。理論上來說精確的準粒子的自能可以通過對Hedin方程進

3、行自洽地計算得到。而事實上,由于頂點函數(shù)的計算中有泛函導數(shù)存在,對頂點函數(shù)的計算是非常困難的,因此通常采用對頂點函數(shù)取一階近似的方法。由此得到的自能的GW近似值與實驗結果吻合良好,因此GW近似方法被認為是計算準粒子能帶結構的一個較準確的方法。本文的工作中,采用Abinit計算軟件計算了金剛石、硅、鍺、BN以及Ge3N4的六個不同的相的能帶結構?？傮w的能帶結構圖是利用DFT-LDA得到,而隨后采用GW近似方法對一些高對稱k點的能級進行了修

4、正,以期得到準確的預測值。本文還對計算所需的輸入?yún)?shù)如截斷動能的收斂性進行了嚴格的測試。我們得到的金剛石、硅、鍺和BN的禁帶寬度計算值與實驗值吻合的很好。隨后我們對Ge3N4的六個相進行了幾何優(yōu)化和能帶結構計算。文獻中很少有對Ge3N4的研究報道,因此我們的理論預測能夠對它們未來的研究和工業(yè)應用帶來幫助。能帶結構圖顯示α相、β相、偽立方相和立方相的Ge3N4是間接帶隙半導體,而γ相和石墨相的Ge3N4則是直接帶隙半導體。根據(jù)我們的計算結

5、果,Y相的Ge3N4有大約3.0eV的直接帶隙禁帶寬度,有成為光催化劑材料的前景。而偽立方相的Ge3N4雖然最小禁帶寬度是間接帶隙的,但它同樣擁有僅比間接帶隙禁帶寬度大了0.17eV的直接帶隙禁帶寬度2.68eV。這個禁帶寬度相當于藍光的光子激發(fā)能量,因此偽立方相的Ge3N4有成為良好的光催化劑或光電子半導體材料的應用前景。本文共分五章,組織如下。第一章為緒論,介紹了理論背景和所研究的材料。本文涉及的計算方法(DFT和GW方法)以及對使