材料物理毕业设计

毕业论文题目金刚石掺杂能带及光学特性研究学生姓名孙小刚学号20091338013院系物理与光电工程学院专业材料物理指导教师仲坤二一三年五月五日1摘要利用基于密度泛函理论的第一性原理计算纯的金刚石和一组掺杂浓度分别为125、25、375、50（摩尔分数）H及N的金刚石的能带结构。当掺杂不同浓度的H原子时，它的禁带宽度会发生变化，但是掺杂N的效果更加明显，禁带宽度的变化更加大。当掺杂这H原子时，费米面都会向能量高的区域移动，从而进入导带。而当掺杂N时，金刚石的特性会更强，导电性质加强。使用其中的CASTEP模块分别计算并分析了掺杂不同浓度H和N的能带结构，态密度和光学性质，并对获得的数据进行了对比分析。关键词金刚石，掺杂，能带，态密度，光学特性2目录摘要1目录2第一章绪论311金刚石3111金刚石的简介3112金刚石的结构与性质5113金刚石的用途2114掺杂后的金刚石的能带和光学特性312离子注入技术和原理3121MEVVA源离子注入技术3122离子与固体的相互作用5123离子注入射程分布理论6124离子注入固体材料模拟813实验软件的介绍8131SRIM8132MATERIALSSTUDIO13第二章SRIM软件的模拟1721通过SRIM软件将H注入金刚石并计算注入深度17211相同能量通过不同角度注入17212相同角度通过不同能量注入2222通过SRIM软件将N注入金刚石并计算注入深度28221通过相同能量不同角度注入28222通过相同角度不同能量注入31第三章MATERIALSSTUDIO软件的模拟3531模型构建3532计算方法3533计算内容36331能带36332态密度37333光学性质3734不同掺杂情况的计算38341掺杂H的金刚石计算结果图38342掺杂N的金刚石计算结果图44343含有缺陷的金刚石的计算结果图50344掺杂后的光学特性53第四章结论59参考文献60ABSTRACT61致谢623第一章绪论11金刚石111金刚石的简介金刚石的化学式就是C，只不过它是由N个C在一起结合而成。金刚石是原子晶体,金刚石还是巨分子，是无数个C的聚合体。钻石属于金刚石的一种,它是由纯碳组成的矿物。由于金刚石的硬度极高，因此许多工业过程会用到它，如精细研磨材料、拉丝模、高硬切割工具、钻头。由于这个特性，金刚石还被作为很多精密仪器的部件。金刚石有很多的颜色，从无色到黑色，其中以无色的为最好。它们有透明的，也有半透明或不透明的。但是多数金刚石都会带些黄色。金刚石拥有非常高的折射率，也有很强的色散性能，这就说明了金刚石会反射出五颜六色闪光的原因。金伯利岩筒是金刚石的仅有的产出地。因此金伯利岩是原生地岩石，河流、冰川等对其他地方的金刚石起到了搬运的作用。金刚石一般是粒状的，但是当金刚石加热到1000时，它会逐渐地变成石墨。石墨与金刚石都属于碳的单质。都具有超硬、耐磨、热敏、传热导、半导体等优异的物理性能，素有“硬度之王”和“宝石之王”的美誉。20世纪50年代，美国曾以石墨为原料，在高温高压下成功制造出了人造金刚石。人造金刚石目前已经广泛用于人类的生产和生活中，不过由于技术限制，想造出大颗粒的金刚石还很困难（所以大颗粒的天然金刚石仍然价值连城），但是已经可以制成金刚石薄膜。111天然金刚石金刚石的化学成分是C，它与石墨是碳的同质多象变体。SI、MG、AL、CA、MN等元素总是含有在矿物化学组成中，但也常含有NA、CU、FE、CO、CR、N等杂质元素，以及碳水化合物。金刚石晶体的构造是等轴晶系同极键四面体型构造。其中碳原子位于四面体的角顶及中4心，整体具有高度的对称性，属于体心立方结构。单位晶胞中的碳原子通过同极键相连结，原子之间的距离为154PM。常见晶形有立方体、四面体和六八面体、八面体、菱形十二面体、等。在硬度方面，金刚石的硬度是刚玉硬度的4倍，石英硬度的8倍。它们三者详细绝对硬度如下金刚石是100002500刚玉是25002100石英是15501200。金刚石的颜色不同是取决于其纯净程度和所含杂质元素的种类与含量。如果金刚石本身是极纯净或无色，就会多呈不同程度的黄、褐、绿、蓝、乳白和紫色等。金刚石具有金刚光泽，少数油脂或金属光泽，具有一般为240248高折射率。在导热方面，金刚石的热导率一般是13616W/（MK），其中A型金刚石热导率相当高，相当于液氮温度下铜的25倍，并且会随着温度的升高而急剧下降。如在室温时热导率为铜的5倍；比热容会随着温度上升而增加，在106时为39984J/（KGK），107时为47227J/（KGK）；而且热膨胀系数极小，随温度上升而增高，如在388时为0，0时为56107；在纯氧中燃点为720800，在空气中为8501000，在绝氧下20003000转变为石墨。在化学性质方面，金刚石具有稳定的化学性质，有较强的耐酸性和耐碱性，在高温下不会与浓HF、HCL、HNO3作用，只是在熔融状态下的NA2CO3、NANO3、KNO3中，与K2CR2O7和H2SO4的混合物一起煮沸，会稍有氧化；但是O、CO2、H、CL、CH4的高温气体会对其产生腐蚀。此外，非磁性、亲油疏水性、不良导电性和摩擦生电性等都是金刚石的特性。112金刚石113金刚石112金刚石的结构与性质金刚石晶体中的碳原子是按四面体成键方式互相连接，组成无限的三维骨架。其中的每个碳原子都以SP3杂化轨道与另外4个碳原子形成共价键，从而构成正四面体。钻石硬度大，熔点极高，而且不导电的原因是因为钻石中的CC键很强，所有的价电子都参与了共价键的形成，没有自由电子。2114硬度金刚石的摩氏硬度为10，显微硬度10000KG/MM2，显微硬度是石英的1000倍，是刚玉的150倍。如果把金刚石和另一种矿物放在一起互相刻划，那种矿物一定会受到划伤，但金刚石却完全没事。为什么会有这种情况因为金刚石硬度是最高的。说到这里，我们不禁想问，为什么金刚石硬度这么大呢直到18世纪后半阶段，科学家才弄清楚了金刚石的构成。正如前面所说，关于金刚石的记载可以追溯到公元1世纪，但是，其后的1600多年里，金刚石的成分是什么仍然不为人们所知。18世纪的70至90年代，法国化学家拉瓦锡17431794等人将金刚石放在氧气中燃烧，发现得到的是二氧化碳气体，而其中的碳就是来源于金刚石。终于，组成金刚石的材料是碳被证明了出来。虽然知道了碳是金刚石的成分，但是仍然不能解释金刚石超高的硬度原因。比如，石墨是制造笔芯的材料，成分也是碳，但石墨却是一种相当软的矿物质。那同种成分为什么在硬度上会存在如此大的差异终于在1913年英国的物理学家威廉布拉格和他的儿子找到了这个问题的答案。他们父子俩用X射线观察金刚石，以此来研究金刚石原子的排列方式。通过实验发现，金刚石晶体内部的每一个碳原子都与周围的4个碳原子紧密结合从而形成了一种致密的三维结构。这种特殊结构在其他矿物中都未曾见到过。正是由于这种结构，使得金刚石的密度为约35克每立方厘米，是石墨密度的15倍。正是这种致密的结构，金刚石才会具有最大的硬度。也就是说，金刚石是由于碳原子挤压而产生的一种矿物。光学性质1光学鉴定之亮度（BRILLIANCE）金刚石因为具有极高的反射率，其反射临界角较小，全反射的范围宽，光容易发生全反射，反射光量大，从而产生很高的亮度。2闪烁（SCINTILLATION）金刚石的闪烁就是闪光，即当金刚石或者光源、观察者相对移动时其表面对于白光的反射和闪光。无色透明、结晶良好的八面体或者曲面体聚形钻石，即使不加切磨也可展露良好的闪烁光。3色散或出火（DISPERSIONORFIRE）金刚石多样的晶面象三棱镜一样，能把通过折射、反射和全反射进入晶体内部的白光分解成白光的组成颜色红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫等色光。4光泽（LUSTER）刚石出类拔萃般坚硬的、平整光亮的晶面或解理面对于白光的反射作用3特别强烈，而这种非常特征的反光作用就叫作金刚光泽。115金刚石113金刚石的用途工业用途金刚石硬度之王。很珍贵南非盛产。主要用途作首饰品（钻石）和低品位金刚石用来作切削刀具，可以加工几乎所有的金属材料。观赏宝石折射率高的钻石，在灯光下熠熠生辉，是女士最爱的宝石。大型的钻石价值连城。114掺杂后的金刚石的能带和光学特性掺杂后的金刚石的能带和光学特性会发生变化，当掺杂不同的物质时，相应的变化也不同。我们通过在电脑上用软件模拟掺杂的过程来研究不同的材料对金刚石性能的影响。412离子注入技术和原理121MEVVA源离子注入技术MEVVA27,30的全称是METALVAPORVACUUMARC，即金属蒸气真空弧离子源。1985年，美国加州大学伯克利分校的IGBROWN教授发表了金属蒸气真空弧离子源（MEVVA）的研究成果。这种新型的强流金属离子源问世后很快就被应用于材料表面改性，并引起了强流金属离子注入的一场革命，这种独特的离子注入机被称为新一代金属离子注入机63。具有一定能量的离子束注入到固体中，将能量传递给靶材料原子并使之离位，产生大量的离位原子和空位，而入射离子本身由于能量的损耗而停留在靶内成为杂质原子，这就是离子注入。利用离子技术进行掺杂，注入元素不受热力学的限制，同时掺杂的深度和浓度可以较精确控制，加工过程可以在各种温度下进行，被广泛应用于材料表面改性研究领域。MEVVA源是利用阴阳极之间的真空弧放电原理来形成等离子体的。具体的结构如图21所示。图21MEVVA离子源结构和工作原理示意图64金属等离子体的形成如图21所示，阴极为注入离子材料，阴阳极间的电路称为主弧电路，阴极在未被触发之前，两极间的通道为高真空，主弧电路没有接通，不能起弧。通过触发电极的触发电压来对阴极进行触发，这个电压一般为610KV。在此电压下，阴极与触发极之间的陶瓷材料被击穿，在阴极表面将产生少量阴极材料的等离子体。在主弧电压的作用下，等离子体由阴极到达阳极，主弧电路构成回路，形成真空弧放电。阴极表面将形成斑点，斑点内的阴极材料被大量蒸发和电离，进一步促进了等离子体的形成。随着触发脉冲的不断到来，这个过程被不断重复，从而维持了等离子体的形成。金属离子束的引出由真空弧放电形成的金属等离子体，以104M/S左右的速度从阴极向阳极喷射，在引出5电场的作用下，形成强流离金属离子束。与其他离子源相比，MEVVA源具有许多优点（1）MEVVA离子源结构简单。（2）引出离子种类多。可以引出各种低熔点到高熔点的金属离子，从一般的金属离子到贵重金属离子、稀有金属离子，还可以引出C、SI离子，甚至是导电化合物的离子团。（3）引出离子电荷多样化。离子电荷数从1到5，其中最常见的是2。（4）束宽。束斑很大，直径可达几十厘米，可以显著提高注入效率。（5）可同时注入多种元素。（6）束流强。束流强度可达到550MA，从而提高注入效率，适用于工业生产。122离子与固体的相互作用离子注入材料表面的过程，是注入离子与基体原子间相互作用的过程，在材料表面是产生溅射和析出相形成的过程，在材料内部结构是产生点缺陷、位错和辐照损伤的过程。不同的注入能量和剂量、离子种类、基体原子种类、结构和注入时基质温度，都直接影响到离子注入的过程，影响到点缺陷、位错的浓度分布、析出相等一系列结果。（1）表面溅射表面溅射是入射离子束轰击下靶原子背向发射的过程。表面溅射的程度用溅射系数Y来表征，溅射系数Y是指入射一个离子所溅射出基体原子的个数，溅射系数与元素在周期表中的位置有关。对于合金材料靶，合金中不同组分具有不同的结合能，溅射系数与结合能成反比。在注入过程中结合能小的合金优先被溅射出来，高结合能的合金成分则被保留下来，大多数高结合能的合金有具有更好的强化性能。正是因为优先溅射的原则，因此离子注入的溅射效应可以强化材料表面。（2）点缺陷离子注入金属表面的时候，与其中表面的原子发生碰撞，进行能量传递和沉积。当注入离子能量较低时，发生弹性碰撞。如果晶格原子从碰撞中获得了较高的能量，并且能够克服离位阈能ED（DISPLACEMENTENERGY）时，晶格原子将离开原来的晶格位置，进入并停留在晶格间隙中，这样就产生了一个空位和一个相应的间隙原子。这就是弗兰克缺陷。离位阈能ED一般在2030EV，金属的离位阈能ED一般认为是25EV。（3）级联碰撞一般来说，晶格原子并不只是发生依次碰撞。晶格原子受离子撞击后，离开原来的晶格6位置，进入间隙，我们称之为初次碰撞原子。如果初次碰撞原子的能量大于离位阈能ED，还会与周围的晶格原子发生碰撞，产生二级碰撞原子。同理，二级碰撞原子又能继续碰撞出三级碰撞原子。这样，直到最终各级碰撞原子都停留下来，这样就完成了一次“级联碰撞”过程。一般的级联碰撞过程，持续时间为1012S。（4）位错和辐照损伤间隙原子产生后，与附近的空位形成间隙原子空位对，大量间隙原子和空位在一起构成辐照损伤。具有高能量的离子在注入材料基体后，将和基体原子发生碰撞，一系列的碰撞过程，在材料的表面层产生辐射损伤区，从而形成大量位错缺陷、辐射损伤。事实上，间隙原子和空位会发生复合，空位将移动到晶界上，聚集成团、形成位错缺陷，最后间隙原子仅剩余初始的百分之几或更少。（5）生成析出相离子注入的过程中，靶材温度会有一定的升高。随着注入离子的增加，部分固溶相、金属间化合物等新物相将会出现。新形成的物相在表面析出，将改变表面的各项性能，一般情况下都会强化表面。123离子注入射程分布理论离子注入的优点是能够控制掺杂的离子浓度和深度分布，以达到表面改性的最佳效果。因此，我们首要的问题是研究注入离子的浓度和深度分布，即注入离子射程分布理论。一般地，对于非晶靶材，入射离子在靶中的射程分布主要依赖于注入离子的能量、剂量、质量、原子序数和靶原子的质量、靶原子序数和靶原子密度以及注入的靶的温度等等。对于单晶靶，此外还要考虑单晶与离子束取向的关系等等因素。射入靶材中的离子，在同靶材中的原子核和核外电子发生碰撞的过程中，将损失能量，这部分能量传递给靶材，离子最终停留在靶内某一位置。离子在固体中所走过的平均路程称为离子射程，记作R。离子射程在固体表面法线上的投影称为投影射程，记作RP。不同的入射离子，其对应的投影射程是不同。从统计观点出发，对于相同能量的入射离子，其最可几的投影射程，我们称之为平均投影射程，也记作RP。每个入射离子的投影射程与平均投影射程RP之间的统计偏差记作RP。入射离子的浓度分布NX为高斯分布其中为注入剂量。当注入能量在50500KEV范围时，该分布是高斯分布。低于或者高于这个能量范围，高斯分布就不能够很好的描述其分布，需用泊松分布、埃奇沃思或皮尔逊分布来描述。1963年，丹麦奥霍斯大学的JLINDHARD、MSCHARFF和HESCHIOTT教授首先提出一222EXPRPRPXRPXN217种用于预测离子射程分布的理论，称为LSS理论。他们提出的LSS理论以及低速重离子在固体中的阻止过程计算，建立了离子在固体中的射程和能量损失的理论体系。LSS理论把入射离子能量损失分为两个部分一部分是靶材内由于原子核的阻止造成的能量损失；另一部分是靶材内由于电子的阻止造成的能量损失。根据这个假设，对一个入射离子而言，单位距离上的能量损失可以表示为原子核和电子能量阻止两部分之和ESESNDXDEEN其中，E是入射离子在X处的能量；N是靶原子的密度；SN是原子核阻止本领，表示能量为EEDE范围的入射离子，在单位密度靶内通过微分厚度为DX的路程中传递给靶原子核的能量；SE是电子能量阻止本领，表示能量为EEDE范围的入射离子，在单位密度靶内通过微分厚度为DX的路程中传递给靶内电子的能量。如果知道SN和SE，则可由式32直接积分得到平均射程R。REENESESDENDXR0001JLINDHARD等人引入了无量纲的能量和射程212212MMEZZME2211224MMMRNM对应于式（33），无量纲射程可以由下式得出0ENSSD其中，对于无量纲的核阻止本领SN，有对无量纲的电子阻止本领SE，有2/322/314/33/223/212/3212/126/12/107901MMZZMMZZKKDPDSEE2223242526272802122605LN11138330200132101959LN302NNSS8至此，无量纲的射程完全可以由式（26）推导得到。124离子注入固体材料模拟注入原子百分比不考虑溅射对基体原子的损耗，基体原子密度可由公式（311）算出MNNA1其中N1为基体原子密度，NA为阿佛加德罗常数（6021023MOL1），为基体材料密度，M为基体材料摩尔质量。二氧化硅的密度232GCM3，摩尔质量为M601GMOL1，代入公式，计算得到二氧化硅基体的原子密度N1231022CM3。注入层中注入的原子密度N2可由注入剂量D和注入层厚度H算出HDN2至此，得出注入原子和基体原子各自的密度，就可以算出注入原子的原子含量。29210913实验软件的介绍131SRIMSRIM是一款在可以在电脑上实现对材料进行离子注入的软件。它采用的程序是TRIM。1311TRIM程序是上世纪ZIEGLER等人在提出了新的原子间相互作用普适势之后，编制用于模拟离子在固体中能量损失及射程的计算机程序。这里我们采用的计算工具是SRIM2008程序。利用SRIM程序能计算出一系列离子注入能量淀积的参数和离子在固体中的位置浓度分布参数等等。主要功能有1平均射程及其统计偏差注入离子在横向、纵向和径向上的平均投影射程RP及其对应的统计偏差RP。2纵向平均射程分布曲线TRIM计算结果可直接给出注入离子浓度随注入深度的变化曲线。这个分布一般呈高斯分布。存在某个深度位置，该处注入离子的浓度达到极大值。该曲线可以直观地看出注入层的厚度，可以为MEVVA沉积提供实验参考。3电离、声子等能量损失随注入深度的变化曲线。101312因为是掺碳，所以我们在第四行中选择元素C，其中的ENERGE，也就是注入能量我们由100开始成百的递增直到500，而在ANGLEOFINCIDENCE这一选项我们则从0度每隔15递增到60，由此我们可以得到4520个掺杂结果。在WIDTH这一栏将从3000开始随实验的需求逐渐增加。TOTALMUMBEROFIONS即原子数目定在1000个。设定完毕，点击右边绿色的RUN即可开始模拟计算并绘图。计算依据蒙特卡洛MONTECARLO模拟是一种通过设定随机过程，反复生成时间序列，计算参数估计量和统计量，进而研究其分布特征的方法。具体的，当系统中各个单元的可靠性特征量已知，但系统的可靠性过于复杂，难以建立可靠性预计的精确数学模型或模型太复杂而不便应用时，可用随机模拟法近似计算出系统可靠性的预计值；随着模拟次数的增多，其预计精度也逐渐增高。由于涉及到时间序列的反复生成，蒙特卡洛模拟法是以高容量和高速度的计算机为前提条件的，因此只是在近些年才得到广泛推广。这个术语是二战时期美国物理学家METROPOLIS执行曼哈顿计划的过程中提出来的。蒙特卡洛模拟方法的原理是当问题或对象本身具有概率特征时，可以用计算机模拟的方法产生抽样结果，根据抽样计算统计量或者参数的值；随着模拟次数的增多，可以通过对各次统计量或参数的估计值求平均的方法得到稳定结论。蒙特卡洛模拟法的应用领域主要有111直接应用蒙特卡洛模拟应用大规模的随机数列来模拟复杂系统，得到某些参数或重要指标。2蒙特卡洛积分利用随机数列计算积分，维数越高，积分效率越高。3MCMC这是直接应用蒙特卡洛模拟方法的推广，该方法中随机数的产生是采用的马尔科夫链形式。（也叫随机模拟法）当系统中各个单元的可靠性特征量已知，但系统的可靠性过于复杂，难以建立可靠性预计的精确数学模型或模型太复杂而不便应用则可用随机模拟法近似计算出系统可靠性的预计值。随着模拟次数的增多，其预计精度也逐渐增高。由于需要大量反复的计算，一般均用计算机来完成。应用此方法求解工程技术问题可以分为两类确定性问题和随机性问题。解题步骤如下1根据提出的问题构造一个简单、适用的概率模型或随机模型，使问题的解对应于该模型中随机变量的某些特征（如概率、均值和方差等），所构造的模型在主要特征参量方面要与实际问题或系统相一致2根据模型中各个随机变量的分布，在计算机上产生随机数，实现一次模拟过程所需的足够数量的随机数。通常先产生均匀分布的随机数，然后生成服从某一分布的随机数，方可进行随机模拟试验。3根据概率模型的特点和随机变量的分布特性，设计和选取合适的抽样方法，并对每个随机变量进行抽样（包括直接抽样、分层抽样、相关抽样、重要抽样等）。4按照所建立的模型进行仿真试验、计算，求出问题的随机解。5统计分析模拟试验结果，给出问题的概率解以及解的精度估计。在可靠性分析和设计中，用蒙特卡洛模拟法可以确定复杂随机变量的概率分布和数字特征，可以通过随机模拟估算系统和零件的可靠度，也可以模拟随机过程、寻求系统最优参数等。12131313132MATERIALSSTUDIO13211322诞生背景GENETICSCOMPUTERGROUPGCG公司、美国MOLECULARSIMULATIONSINCMSI公司、英国SYNOPSYSSCIENTIFIC系统公司以及OXFORDMOLECULARGROUPOMG公司这四家世界领先的科学软件公司是美国ACCELRYS公司的前身，由这四家软件公司于2001年6月1日合并组建的ACCELRYS公司，是目前全球范围内唯一能够提供分子模拟、材料设计以及化学信息学和生物信息学全面解决方案和相关服务的软件供应商。14软件概况MATERIALSSTUDIO是一款运行在PC上的专门为材料科学领域研究者开发的可模拟软件。它是用来帮助解决当今化学、材料工业中的一系列重要问题。同时支持WINDOWS2000、NT、UNIX以及LINUX等多种操作平台。并且它使化学及材料科学的研究者们能更方便地建立三维结构模型，并能对各种无定型以及高分子、材料晶体的性质及相关过程进行深入的研究。多种先进算法的综合应用使MATERIALSSTUDIO成为一个强有力的模拟工具。无论构型优化、性质预测和X射线衍射分析，以及复杂的动力学模拟和量子力学计算，我们都可以通过一些简单易学的操作来得到切实可靠的数据。MATERIALSSTUDIO软件采用灵活的CLIENTSERVER结构。其核心模块VISUALIZER运行于客户端PC，支持的操作系统包括WINDOWS98、2000、NT；计算模块（如DISCOVER，AMORPHOUS，EQUILIBRIA，DMOL3，CASTEP等）运行于服务器端，支持的系统包括WINDOWS2000、NT、SGIIRIX以及REDHATLINUX。浮动许可（FLOATINGLICENSE）机制允许用户将计算作业提交到网络上的任何一台服务器上，并将结果返回到客户端进行分析，从而最大限度地利用了网络资源。MATERIALSSTUDIO软件能使任何研究者达到与世界一流研究部门相一致的材料模拟的能力。模拟的内容包括了催化剂、聚合物、固体及表面、晶体与衍射、化学反应等材料和化学研究领域的主要课题。模块简介MATERIALSSTUDIO采用了大家非常熟悉的MICROSOFT标准用户界面，允许用户通过各种控制面板直接对计算参数和计算结果进行设置和分析。目前，MATERIALSSTUDIO软件包括如下功能模块MATERIALSVISUALIZER提供了搭建分子、晶体及高分子材料结构模型所需要的所有工具，可以操作、观察及分析结构模型，处理图表、表格或文本等形式的数据，并提供软件的基本环境和分析工具以及支持MATERIALSSTUDIO的其他产品。是MATERIALSSTUDIO产品系列的核心模块。DISCOVERMATERIALSSTUDIO的分子力学计算引擎。使用多种分子力学和动力学方法，以仔细推导的力场作为基础，可准确地计算出最低能量构型、分子体系的结构和动力学轨迹等。COMPASS支持对凝聚态材料进行原子水平模拟的功能强大的力场。是第一个由凝聚态性质以及孤立分子的各种从头算和经验数据等参数化并经验证的从头算力场。可以在很大的温度、压力范围内精确地预测孤立体系或凝聚态体系中各种分子的结构、构象、振动以及热物理性质。AMORPHOUSCELL允许对复杂的无定型系统建立有代表性的模型，并对主要性质进行预测。通过观察系统结构和性质之间的关系，可以对分子的一些重要性质有更深入的了解，从而设计出更好的新化合物和新配方。可以研究的性质有内聚能密度（CED）、状态方程行为、链堆砌以及局部链运15动等。EQUILIBRIA可计算烃类化合物单组分体系或多组分混合物的相图，溶解度作为温度、压力和浓度的函数也可同时得到，还可计算单组分体系的VIRIAL系数。适用领域包括石油及天然气加工过程（如凝析气在高压下的性质）、石油炼制（重烃相在高压下的性质）、气体处理、聚烯烃反应器（产物控制）、橡胶（作为温度和浓度的函数的不同溶剂的溶解度）。DMOL3独特的密度泛函（DFT）量子力学程序，是唯一的可以模拟气相、溶液、表面及固体等过程及性质的商业化量子力学程序，应用于化学、材料、化工、固体物理等许多领域。可用于研究均相催化、多相催化、分子反应、分子结构等，也可预测溶解度、蒸气压、配分函数、熔解热、混合热等性质。CASTEP先进的量子力学程序，广泛应用于陶瓷、半导体、金属等多种材料，可研究晶体材料的性质（半导体、陶瓷、金属、分子筛等）、表面和表面重构的性质、表面化学、电子结构（能带及态密度）、晶体的光学性质、点缺陷性质（如空位、间隙或取代掺杂）、扩展缺陷（晶粒间界、位错）、体系的三维电荷密度及波函数等。比CERIUS2更具有优点MATERIALSSTUDIO软件比CERIUS2具有以下优点（1）MATERIALSSTUDIO是专门为材料科学领域研究者开发的一款可运行在PC上的模拟软件。支持WINDOWS98、2000、NT、UNIX以及LINUX等多种操作平台。（2）MATERIALSSTUDIO软件采用灵活的CLIENTSERVER结构。其核心模块VISUALIZER运行于客户端PC，支持的操作系统包括WINDOWS98、2000、NT；计算模块（如DISCOVERAMORPHOUS，EQUILIBRIA，DMOL3，CASTEP等）运行于服务器端，支持的系统包括WINDOWS2000、NT、SGIIRIX以及REDHATLINUX。（3）投入成本低，易于推广。浮动许可（FLOATINGLICENSE）机制允许用户将计算作业提交到网络上的任何一台服务器上，并将结果返回到客户端进行分析，从而最大限度地利用了网络资源，减少了硬件投资。16132317第二章SRIM软件的模拟21通过SRIM软件将H注入金刚石并计算注入深度211相同能量通过不同角度注入1设置ENERGE注入能量）100EV，注入角度为15度，如2111模拟的结果如图18图2112由此可看出射程分布为4200ANG2设置ENERGE注入能量）为100EV，注入角度为30度，如图211319模拟的结果如图图2114由此可看出射程分布为3750ANG3设置ENERGE注入能量）为100EV，注入角度为45度，如图2114模拟的结果如图20图2115由此可看出射程分布为3100ANG4设置ENERGE注入能量）为100EV，注入角度为60度，如图2116模拟的结果如图21图2117由此可看出射程分布为2250ANG5设置ENERGE注入能量）为100EV，注入角度为75度，如图2118模拟的结果如图222119由此可看出射程分布为1250ANG212相同角度通过不同能量注入1设置ENERGE注入能量）为100EV，注入角度为0度，如图232121模拟的结果如图图2122由此可看出射程分布为4500ANG242设置ENERGE注入能量）为150EV，注入角度为0度，如图2123模拟的结果如图图2124由此可看出射程分布为6500ANG3设置ENERGE注入能量）为200EV，注入角度为0度，如图252125模拟的结果如图图2126由此可看出射程分布为4200ANG4设置ENERGE注入能量）为250EV，注入角度为0度，如图262127模拟的结果如图图2128由此可看出射程分布为11500ANG5设置ENERGE注入能量）为300EV，注入角度为0度，如图272129模拟的结果如图21210由图可看出射程分布为14200ANG2822通过SRIM软件将N注入金刚石并计算注入深度221通过相同能量不同角度注入设置ENERGE注入能量）为100EV，注入角度为15度，通过SRIM的模拟得到的结果图如下图2211由此可看出射程分布为1200ANG设置ENERGE注入能量）为100EV，注入角度为30度，通过SRIM的模拟得到的结果图如下29图2212由此可看出射程分布为1000ANG设置ENERGE注入能量）为100EV，注入角度为45度，通过SRIM的模拟得到的结果图如下图221330由此可看出射程分布为900ANG设置ENERGE注入能量）为100EV，注入角度为60度，通过SRIM的模拟得到的结果图如下图2214由此可看出射程分布为500ANG设置ENERGE注入能量）为100EV，注入角度为75度，通过SRIM的模拟得到的结果图如下31图2215由此可看出射程分布为350ANG222通过相同角度不同能量注入设置ENERGE注入能量）为100EV，注入角度为0度，通过SRIM的模拟得到的结果图如下图222132由此可看出射程分布为1200ANG设置ENERGE注入能量）为150EV，注入角度为0度，通过SRIM的模拟得到的结果图如下图2222由此可看出射程分布为1800ANG设置ENERGE注入能量）为200EV，注入角度为0度，通过SRIM的模拟得到的结果图如下33图2223由此可看出射程分布为2200ANG设置ENERGE注入能量）为250EV，注入角度为0度，通过SRIM的模拟得到的结果图如下图222434由此可看出射程分布为2700ANG设置ENERGE注入能量）为300EV，注入角度为0度，通过SRIM的模拟得到的结果图如下2225由此可看出射程分布为3100ANG35第三章MATERIALSSTUDIO软件的模拟31模型构建首先导入一个金刚石模型，其中共含8个C。然后用原子替代法，分别掺杂不同浓度的N原子，从而计算。31131232计算方法应用MATERIALSSTUDIO50软件包中的DMOL3的计算程序进行计算。CASTEP是利用第一性从36开头计算原理，以密度泛函理论为基础的软件包，适用于计算材料。计算中利用边界条件，用广义梯度近似（GGA）的PBE方法作为交换关联函数，PBE是GGA的一种梯度函数。计算时，先对建立的模型进行几何优化，使其得到最优的几何结构后再进行单点能和性质的计算。32132233计算内容331能带在形成分子时，原子轨道构成具有分立能级的分子轨道。晶体是由大量的原子有序堆积而成的。由原子轨道所构成的分子轨道的数量非常之大，以至于可以将所形成的分子轨道的能级看成是准连续的，即形成了能带。37能带理论是用量子力学的方法研究固体内部电子运动的理论。始于20世纪初期，在量子力学确立以后发展起来的一种近似理论。它曾经定性地阐明了晶体中电子运动的普遍特点，并进而说明了导体与绝缘体、半导体的区别所在，解释了晶体中电子的平均自由程问题。332态密度态密度是固体物理中的重要概念，即能量介于E1EE之间的量子态数目Z与能量差E之比，即单位频率间隔之内的模数。NE关系反映出固体中电子能态的结构，固体中的性质如电子比热，顺磁磁化率等与之关系密切。在技术上，可利用X射线发射光谱方法测定态密度。对自由电子而言，NE4VEL/22M3/2/H3，式中V为晶体体积，H为普朗克常数，M为电子质量。相关公式1对于晶体中的准自由电子，具有有效质量M，导带底的等能面是球形等能面，导带底附近的能态密度函数为NCE1/222M/23/2EEC1/2EEC1/2。2对于实际SI和GE的导带底，因是旋转椭球等能面S个，并且存在有纵向有效质量ML和横向有效质量MT，则根据EKEC2/2K12K22/MTK32/ML，同样可求得以上形式的NCE，但其中的有效质量M应该代之为所谓导带底电子的状态密度有效质量MDNS2MLMT21/3。对于价带顶附近空穴的能态密度函数，类似地可求得为NVE1/222M/23/2EVE1/2EVE1/2，其中价带顶空穴的状态密度有效质量为MDPML3/2MH3/22/3，ML和MH分别是轻空穴和重空穴的有效质量。对于SIS6,MDN108MO；MDP059MO。对于GES4,MDV056MO；MDP037MO。总之，对于三维自由电子，能态密度函数与能量的平方根成正比。但是，对于二维自由电子，能态密度函数将与能量无关。333光学性质晶体的光学性质，大致可以分为线性光学和非线性光学两部分。所谓线性光学性质，是指，当光强较弱时，物质与光的相互作用是线性的，即极化强度与光波电场的一次方成正比。通常的一些光学效应，如反射、折射、双折射等,都只与介质的线性极化相联系，故都属于线性光学的范畴。当光的强度较大时，极化强度中还会相继出现与电场的二次、三次以至高次方成比例的项，与这些项相对应的极化统称为非线性极化。更一般说来，在强光作用下，极化强度是光强的非线性函数。相对应的一些效应就称为非线性光学效应。3834不同掺杂情况的计算341掺杂H的金刚石计算结果图3411图3412掺杂125H金刚石能带图393413掺杂125H的金刚石态密度图341440图3415掺杂25H金刚石能带图3416掺杂25H的金刚石态密度图413417图3418掺杂375H金刚石能带图42图3419掺杂375H的态密度图图3411043图34111掺杂50H金刚石能带图34112掺杂50H的金刚石态密度图44342掺杂N的金刚石计算结果图3421图3422掺杂125N金刚石能带图453423掺杂125N的态密度图342446图342525掺杂N金刚石能带图3426掺杂25N的金刚石态密度图473427图3428掺杂375N金刚石能带图483429掺杂375N的金刚石态密度图3421049图34211掺杂50N金刚石能带图34212掺杂50N的金刚石态密度图50343含有缺陷的金刚石的计算结果图3431缺少一个C的金刚石结构3432缺少一个C的金刚石能带图513433缺少一个C的金刚石态密度图3434缺少两个C的金刚石结构523435缺少两个C的金刚石能带图3436缺少两个C的金刚石态密度图53344掺杂后的光学特性3441缺少一个C的金刚石的反射率3442缺少一个C的金刚石的吸收率543443缺少一个C的金刚石的折射率3444缺少一个C的金刚石的损失函数553445掺杂25H金刚石的反射率3446掺杂25H金刚石的吸收率563447掺杂25H金刚石的折射率3448掺杂25H金刚石的损失函数573449掺杂25N金刚石的反射率34410掺杂25N金刚石的吸收率5834411掺杂25N金刚石的折射率34412掺杂25N金刚石的损失函数59第四章结论利用第一性原理计算方法，研究为掺杂的金刚石以及掺杂不同浓度的H和N对金刚石的能带结构的影响。结果我们会发现，金刚石的各项性能依赖于掺杂的原子种类以及掺杂原子的浓度，当掺杂不同浓度的H时，随着掺杂浓度的增大，我们会发现带系宽度会增加，但不是非常明显，这说明费米面向高能带区域移动，从而进入导带，只是移动幅度不大，掺杂N时金刚石的KPOINT对应的禁带宽度处在半导体范围，显示良好的半导体特性。但是掺杂N的时候，禁带宽度更加明显，导电特性更好，拥有更好的特性，我们未来的研究有很好的前景。相比于掺杂H，当掺杂相同浓度的N时，吸收和反射