CuAlO2电学及光学性质的理论计算研究.ppt

第一性原理计算研究CuAlO2电学及光学特性 班级 应物101学号 3100831032姓名 张小娟指导教师 王伟 一 研究进展 TCO 性质 高的透明度日本细野教授高的电导率首次发现p型分类n型和p型TCO薄膜CuAlO2于1997年发表在Nature期刊上 此后 引起了人们对CuAlO2的研究 CuAlO2是一种I III VI族间接禁带半导体 在可见光范围内具有优良的光学性质 二 密度泛函理论 密度泛函理论主要的简化和近似方法 三 CASTEP软件简介CASTEP是专为固体材料科学设计的当前最高水平的量子力学软件包之一 CASTEP是专为固体材料科学设计的当前最高水平的量子力学软件包之一 四 理论模型及计算方法1 CuAlO2理论模型 晶格常数 a b 2 85 c 16 94 带隙 间接带隙Eg 1 8eV 直接带隙Eg 3 5eV 晶胞结构单元 平行c轴分布的O Cu O哑铃结构 垂直c轴的六角Cu层 AlO2共边八面体 图4 1CuAlO2晶格结构示意图 下图4 2中 a b分别为CuAlO2的原胞和晶胞 利用对称性可以由晶胞来得到原胞 本文使用原胞来进行计算 使用原胞 原子数较少 计算量大大减小 计算时间将被缩短 图4 2 a CuAlO2原胞结构 b CuAlO2晶胞结构 2 计算方法 五 计算结果与讨论 1 CuAlO2的能带结构要研究CuAlO2的能带结构性质 首先要在倒空间选取高对称点及所对应的路径 本文所选路径为F G Z L F 在布里渊区分布如右图所示 图5 1布里渊区 能带结构 电子能带结构在布里渊区沿着高对称轴方向变化如图5 2所示 由此可见 价带顶在F点 导带底在G点 说明CuAlO2属于间接带隙半导体 间接带隙宽度为2 038eV 直接光学带隙为2 7eV 图5 2能带结构 态密度也就是体系各个能量状态的密度 从图5 3可看出 价带和导带在费米能级两侧呈不对称分布 靠近费米能级附近导带中的第一个剑锋源于Cu d态O p态所形成的键 在费米能级两侧附近价带和导带各有一个陡峭的峰 揭示了在布里渊区F点附近的各向异性键结构 图5 3态密度 2 态密度 3 光学性质的理论描述 在线性响应范围内 固体宏观光学响应函数通常可以由光的复介电常数 1 i 2 来描述 它是表示材料绝缘能力特性的一个系数 以字母 表示 单位为法 米 F m 其中 1 n2 k2 5 1 2 2nk 5 2 上式中n和k分别为折射系数和消光系数 虚部 2 是用价带和导带波函数的动量矩阵元计算出来的 5 3 我们可以从Kramers Kroning关系得到实部 1 5 4 其中M是积分的主值 最后 我们可以利用实部和虚部直接计算所有频率依赖性光谱 例如 折射率n 消光系数k 吸收系数 能量损失函数L 反射率R 光电导 以下关系是分析晶体能带结构和光学性质的理论依据 它反映了能级间电子跃迁所产生光谱的发光机理 而且从某种意义上说 这些光学常数更能表征材料的物理特性 更易于与物理过程的微观模型及固体的微观电子结构联系起来 5 7 5 8 5 9 5 10 5 5 5 6 3 1CuAlO2介电函数 介电函数虚部和实部的计算显示在下图5 4中 当频率 0时 静态介电函数 1 0 约为5 5 介电函数实部 1 在3eV左右达到峰值 主要由电子从价带顶跃迁到导带底部而产生 介电函数的虚部 2 在2eV开始吸收 并在4eV处达到最大值 虚部是影响材料光学性质最根本的因素 图5 4 3 2CuAlO2反射率 可见光光子能量在2 1到3 1eV之间 由图5 5可见 在可见光区域内 反射率很低 其值约为0 2 图5 5反射率 3 3CuAlO2能量损失函数 能量损失函数L 是描述材料中电子快速转移引起的能量损失的一个重要因素 我们从图5 6可知 在可见光区域L 约为0 图5 6能量损失函数 3 4CuAlO2吸收系数 吸收系数 表示光强在单位位移内的衰减程度 从图5 7可发现CuAlO2吸收系数在可见光区吸收很小 在红外区几乎不吸收 在紫外区开始出现较明显的吸收峰 图5 7吸收系数 3 5折射率 如图5 8所示 静态折射率n0是2 35 根据折射率和介电函数的关系n2 k2 1 当 1 5 5 k 0 则n02