高壓下GaAs，GaN和MgO物性的第一性原理計(jì)算.pdf

1、GaAs、GaN是制作光電儀器、半導(dǎo)體激光器以及發(fā)光二極管很常用的半導(dǎo)體材料。雖然它們?cè)诩夹g(shù)方面已得到廣泛的應(yīng)用，在高壓下的性質(zhì)也得到了大量地研究，但是在高壓下的一些基本問(wèn)題(包括其幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)及鍵的機(jī)制等)還未獲得解決。作為地球形成的主要礦物質(zhì)之一，方鎂石(Mg0)在壓強(qiáng)高達(dá)227GPa時(shí)都始終以氯化鈉(Rocksalt)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定存在，研究它的彈性性質(zhì)對(duì)解釋地幔內(nèi)部地震波速的變化以及構(gòu)造地球內(nèi)部礦物學(xué)理論模型具有重要的作用。近年

2、來(lái)，無(wú)論是在實(shí)驗(yàn)上還是理論上，研究材料在高壓下的性質(zhì)一直是個(gè)熱門(mén)課題。 本文首先利用平面波贗勢(shì)密度泛函理論研究了GaAs從閃鋅礦結(jié)構(gòu)到氯化鈉結(jié)構(gòu)的相變以及這兩種結(jié)構(gòu)的基本性質(zhì)參數(shù)，包括晶格常數(shù)a、體彈模量B<,0>、體彈模量對(duì)壓強(qiáng)的一階導(dǎo)數(shù)B<,0><''>以及彈性常數(shù)(C<,11>、C<,12>、C<,44>)。依據(jù)焓相等原理，我們發(fā)現(xiàn)從閃鋅礦結(jié)構(gòu)到氯化鈉結(jié)構(gòu)的相變壓強(qiáng)為16.3 GPa，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)及其它理論值相符。另外，

3、通過(guò)準(zhǔn)諧德拜模型獲得了閃鋅礦和氯化鈉兩種結(jié)構(gòu)的熱力學(xué)性質(zhì)，定量地給出了不同壓強(qiáng)和不同溫度下熱容和德拜溫度的計(jì)算值，發(fā)現(xiàn)熱容隨著壓強(qiáng)增加而減小，而德拜溫度隨壓強(qiáng)增加而增加。 其次利用平面波贗勢(shì)密度泛函理論研究了GaN從閃鋅礦結(jié)構(gòu)到氯化鈉結(jié)構(gòu)的相變以及這兩種結(jié)構(gòu)的基本性質(zhì)參數(shù)，包括晶格常數(shù)a、體彈模量B<,0>、體彈模量對(duì)壓強(qiáng)的一階導(dǎo)數(shù)B<,0><''>以及彈性常數(shù)(C<,11>、C<,12>、C<,44>)。依據(jù)焓相等原理，發(fā)現(xiàn)從

4、閃鋅礦結(jié)構(gòu)到氯化鈉結(jié)構(gòu)的相變壓強(qiáng)為42.2 GPa，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)及其它理論值相符。通過(guò)準(zhǔn)諧德拜模型計(jì)算了不同壓強(qiáng)下熱容和溫度關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在1500K以下時(shí)，熱容隨溫度的增加而增加、隨壓強(qiáng)增加而減小，但當(dāng)溫度高于1500 K時(shí)，由于非諧效應(yīng)的影響，熱容值接近所有固體在高溫條件下所要遵循的Dulong—Petit值，即3K<,B>(≈49.90 Jmol<'-1>K<'-1>)。研究得到在零壓常溫下的熱容值為40.8lJ mo1<'-1>K

5、<'-1>，這個(gè)值與實(shí)驗(yàn)和其他理論值也吻合的較好。 最后，利用平面波贗勢(shì)密度泛函理論和準(zhǔn)諧德拜模型研究了MgO的基本性質(zhì)參數(shù)，包括品格常數(shù)a、體彈模量B。和體彈模量對(duì)壓強(qiáng)的一階導(dǎo)數(shù)B<,0>，以及壓強(qiáng)在0-170 GPa內(nèi)的狀態(tài)方程和熱力學(xué)性質(zhì)。得到了在壓強(qiáng)0-130 GPa范圍內(nèi)，溫度分別為300 K和800K的彈性常數(shù)(C<,11>、C<,12>、C<,44>)、等溫體彈模量B<,S>、剪切模量G、德拜溫度θ和兩種聲速(壓縮