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高压下三元半导体电子结构和光学性质的第一性原理高压下三元半导体电子结构和光学性质的第一性原理研1.1半导体材料简ZnSe和金刚石等称为第三代半导体材料。这三类材料是目前主要应用的材料，它们的代表分别为Si、GaAs、GaN。GaAsSiSi料。GaN的热导率明显要高于常规的半导体材料。这一特性适合应用在激光器X2ZnN2(X=Sr,Ba)IIIVZnSiP2ZnSiGaPGaII–IV–V21[1]而且和闪锌矿[2]III–V族化合物是等电子的，但是由于[3-6]的注意。这类化合物[1]而且和闪锌矿[2]III–V族化合物是等电子的，但是由于[3-6]的注意。这类化合物在可见光和红外发光二极管、红外发生器、红外探测1.2高压物理学简2二本文研究的主要内容及其研究现2.1本文研究的主要二本文研究的主要内容及其研究现2.1本文研究的主要内,,,（3）x方向和z方向下的复介电函数（complexdielectricunction，coefficient（reflectivity2.2材料计算理论的研究现3三本文研究的目的和意三本文研究的目的和意四本文研究的计算方法和方案设4.1密度泛函方最成功的便是密度泛函理论。本文中我们应用的方法即是密度泛函方法。204纪60年代提出来之后，并在局域密度泛函近似（LDA）处理多电子体系导出Kohn-Sham方程以来，密度泛函方法已经成为凝聚态物理、化学、生物、材料领域从微观领域研究物质理化性质的有力工具[11,12]DFT方法的应用纪60年代提出来之后，并在局域密度泛函近似（LDA）处理多电子体系导出Kohn-Sham方程以来，密度泛函方法已经成为凝聚态物理、化学、生物、材料领域从微观领域研究物质理化性质的有力工具[11,12]DFT方法的应用B-O近似基于在原子体系中电子运动速度要远远大于原子核的运动速度，原子4.1.1Hohenberg-Kohn定1964年，Hohenberg-Kohn[1415]定理一：处在外部势场V(r)中相互作用的束缚电子系统，其V(r))E(r)Hohenberg-Kohn定理使我们似乎已经找到了描述多原子体系的密度泛方法。但仍有三个问题需要解决。1965WalterKohn和LuJeuSham[16]5vvv(rr(rdE(r)]=vv+v(r)+'+v 用单粒子波函数构vvv(rr(rdE(r)]=vv+v(r)+'+v 用单粒子波函数构成密度函数，用一个已知的动能泛函Ts[r]表示Ts[r]表示具有与相互作用系统同样的密度泛函，把此方程称为Kohn-Sham方程vvv{-2+V(ryi(r)=Eyi(rivvvvv(rC[vvvr(r(r)]=V4.1.3密度近似（LocalDensityApproximation,(GGA)光学性介电函6'r-'r-即忽略电子直间的相互作用。在这两种近似下处理光和晶体中各个电子的顿的简单求和在电动力学中，一个带电粒子即忽略电子直间的相互作用。在这两种近似下处理光和晶体中各个电子的顿的简单求和在电动力学中，一个带电粒子的在矢量势为A和标度其哈密顿函数为ɸ的电磁场中运动1H (p+eA)2-由此可以得到量子力学中的哈密顿算符p1efi2H (p+eA) +A 其中m为电子质量，e为电子的电荷，利 A=0，取一级近似，忽项，同时取ɸ=0。得到光和N个电子体系互相作用的哈密顿量为NNem+U(ri)]A(ri,t)2iH=H0+H1 [由此得到相互哈密顿为Nm=HH=A(r,t)1ii在入射光不是特别强的情况下，光的作用能够看作是对电子体系的微扰，结果导致了光的吸收与发射复介电函数是非常重要的介电性质，它包括实部ε1(ω)和虚ε2(ω)，即公e(w)=e1(w)+ie2介电函数的自变量为频率，虚部[20-21]为 (k)2d[w(k)-w]dke(w)2式中积分来自布里渊区中心，动量跃迁矩阵，是价和导带直接跃迁的矩阵元是描述电场的电势矢量，能量是相应的跃迁能。实部则是根Kramers–Kronig关系由虚部7 'e(w)=1+1p'2w-0 'e(w)=1+1p'2w-0n(w)221(e1(w)+ie2(w))2-R(w)1(e1(w)+ie2(w))2[e2(w)+e2(w)]1/2-e1/a(w)=121)21L(w)=-)4.2案设Ge)，为了提高计算的准确性，离子实和价电（Si3s23p2，Ge4s24p2，P3s23p3，Zn3d104s2）之间的相互作用选择超软赝势描述，电子波函数用平面波基组展开。选用广义梯度度近似（generalapproximation，GGA）处理交换关联能。在结构模型的优化与驰豫中采（Broyden,Fletcher,GoldfarbandShanno）算法。为了保证计算的精确性，在倒K460eVK5×5×2。自2×106eV/atom88Zn(0,0,0)、Si8Zn(0,0,0)、Si(0,0,0.5)P(0.2691,0.25,0.125)。approximation，GGA）处理交换关联能。在结构模型的优化与驰豫中采（Broyden,Fletcher,GoldfarbandShanno）5×106eV/atom9参考[1]CHIKERF,KEBBABZ,MILOUAR,etal.参考[1]CHIKERF,KEBBABZ,MILOUAR,etal.Birefringenceofopticallyuni-axialternarysemiconductors[J].SolidStateCommunications,2011,151(21):1568-LANYS,ZUNGERA.IntrinsicDXCentersinTernaryChalcopyriteSemiconductors[J].PhysRevLett,2008,100:016401.HOLAHGD.OpticalphononsandpolaritonsinZnSiP2[J].SolidStatePhys,1972,5:1893.LOPEZSA,GALINDOH,FONTALB,etal.CharacterizationofimpuritiesincrystallineZnSiP2usingpolarizedRamanscattering[J].Phys1984,30:SHIRAKATAS,SHIRAKAWAT,NAKAIJ.PressuredependenceofRamanmodesinZnSiP2crystal[J].Novembre–Dicembre,1983,2(6):2058-2063.YUY,ZHAOBJ,ZHUSF.AbinitiostudyofthelinearandnonlinearopticalpropertiesofchalcopyriteCdGeAs2[J].JournalofSolidStateChemistry,2012,185:264–270.HAMMOUCHIM,BOUDOUTIEH,NOUGAOUIA,etal.Acousticwavesinfinitesuperlattices:Influenceofbufferlayers[J].PhysRevB,1999,59:2737.ARABAF,SAHRAOUIAFA,HADDADIBK,etal.Abinitioinvestigationsstructural,elasticandelectronicpropertiesofZnSiP2:Pressureeffect[J].ComputationalMaterialsScience,2012,65:520–527.BOUKABRINEF,CHIKERF,KHACHAIH.AbinitiocalculationofandCdSiAs2semiconductorcompounds[J].PhysicaB,2011,406:169-[10]张跃.计算材料学基础[M].北京：北京航空航天大学出版社2007:27-DavidS.Sholl,JaniceA.Steckel.Densityfunctionaltheory:aintroduction[M].NewYork,JohnWiley&Sons，2009:201-[12]EberhardEngel,ReinerM.Dreizler.DensityFunctionalTheory:Theory[M].NewYork:Theory[M].NewYork:SpringerPress,2011:11-20,57-[13]P.Hohenberg,W.Kohn.Inhomogeneouselectrongas[J].PhysicalReview，1964,[14]W.kohn,L.J.Sham.Self-ConsistentEquationsIncludingExchangeandCorrelationEffects[J].PhysicalReview,1965,140(4A):A1133-A1138.[15]BornMandKHuangK.DynamicalTheoryofCrystalLattices[M].OxfordUniversityPress,1954:112-[16]W.kohn,L.J.Sham.Self-ConsistentEquationsIncludingExchangeCorrelationEffects[J].PhysicalReview,1965,140(4A):A1133-BornMandKHuangK.DynamicalTheoryofCrystalLattices[M].Oxford：OxfordUniversityPress,1954:112-118.PerdewJP.Self-interactionCorrectiontoDensity-functionalApproximationsforMany-electronSystems[J].PhysicalReviewB,1981,23(10):5048-5079.AMBROSCHC,SOFOJO.Linearopticalpropertiesofsolidswithinthefullpotentiallinearizedaugmentedplanewavemethod[J].ComputPhysCommun,2006,175:1–14.GRUNDMANNM,KRONIGK.ThePhysicsofSemiconductors[M].BerlinDELINA,ERIKSSONO,AHUJAR,etal.Opticalpropertiesofthegroup-IVBrefractorymetalcompounds[J].PhysRevB,1996,54:1673–1681.RAVINDRANP,DELINA,AHUJAR,etal.OpticalpropertiesofSnI2fromrelativisticfirst-principlestheory[J].PhysRevB,1997,56:Theory[M].NewYork:Theory[M].NewYork:SpringerPress,2011:11-20,57-P.Hohenberg,W.Kohn.Inhomogeneouselectrongas[J].PhysicalReview，1964,W.kohn,L.J.Sham.Self-ConsistentEquationsIncludingExchangeandCorrelationEffects[J].PhysicalReview,1965,140(4A):A1133-A1138.BornMandKHuangK.DynamicalTheoryofCrystalLattices[M].OxfordUniversityPress,1954:112-[16]W.kohn,L.J.Sham.Self-ConsistentEquationsIncludingExchangeCorrelationEffects[J].PhysicalReview,1965,140(4A):A1133-BornMandKHuangK.DynamicalTheoryofCrystalLattices[M].Oxford：OxfordUniversityPress,1954:112-118.