英文翻译 hou3新.docVIP

闪锌矿氮化镓中杂质（镁，锌，钙）对晶体结构和形成能的影响 熊志华，江风益，万奇欣，饶建平 （南昌大学，教育部光材料和设备研究中心，江西 南昌 330047） 摘要：本文章研究了闪锌矿氮化镓中的中性金属（镁，锌，钙）计算的首要原则，计算了镓场、氮场以及 八面体空隙场和四面体空隙场的合成时替代所需的形成能。计算结果显示研究的大部分不合格品在超过了5eV时有较高的形成能，以及镓替代场有利于合成。掺镁的镓有特别低的形成能1.19eV能被容易的合成氮化镓。研究了金属原子占据了镓替代场后在晶格中的杂质周围的局部的晶体结构改变。研究显示晶格不断地变大以及杂质和它最近的氮原子间的四面体角变小这主要是由于杂质原子的巨大尺寸和M-N键长度延伸，这导致局部的晶格扭曲。在三种提高形成能的杂质中Zn-N(2.04A)键的强度是最小的。镓中掺杂钙尽管有大的键强度但是它的尺度极不匹配所以是不合适的。计算结果证明在闪锌矿氮化镓中决定杂质合成的两种关键因素是：杂质原子和主要原子的尺寸比较以及杂质原子和相邻原子键的键强。这结论和其他的计算和实验结论相符。 1 介绍 闪锌矿氮化镓被认为是比纤维锌矿配对物更适合n和p型掺杂的，因为氮化镓的立方晶格的各向同性可能表现出更高的电子漂移速度以及降低声子的散射从而产生潜在的更高电子迁移率材料[1]。越来越多的实验表明：在立方体闪锌矿结构上结晶证明了薄膜的外延附生[2,3]，以氮化镓为基础的发光二极管加深了对砷化镓基片的影响也被报道出来了[4]。随着近些年来闪锌矿氮化物的生长的能力被论证[5,6]，对这种新类别材料的结构信息，掺杂形成能，形成焓等等非常满意。相比纤维锌矿氮化镓，人们只知道很少的关于闪锌矿氮化镓这方面的信息。据我们所知，这些成果中的一些早些时候已经被简要的报道出来了[7,8]。本论文的目的在于我们进行了原子结构、缺陷形成能和选定掺杂（镁，锌，钙）所使用的首要原则的膺势计算的系统调查。 2 计算方法 使用平面膺势方法作为VASP密码的执行被作为在氮化镓中形成能的计算的首要原则[9]。为了相互交流的可能性，广义的梯度近似法（GGA）被使用，PERDEW和WANG给出的广义的梯度近似法(GGA)的功能被使用[10]。为了完美结晶对结构参数进行的优化,为了缺陷计算而构造了氮化镓超晶胞，在它的闪锌矿晶格中包含64个原子。在这些掺镁氮化镓的实例中，在晶格中央分析坐标（0.5，0.5）的一个氮化镓原子被一个镁原子所取代。关于平面能量捷径和k-定点样本的总能量的会聚实验已经被仔细的检查了。能量的最后贯入度被500eV的能量捷径所计算，综合使用5×5~5k-定点样本越过不可约的布里渊区，通过Monkhorst-Pack方案生成[11]。原子的力被计算,使用共轭梯度技术使原子松弛直到他们残余的力聚集起来小于5meV/A.通过这些参数我们计算出了聚集起来每个原子超过2meV的。通过关于平面波系数总能量的最低限度共轭梯度我们断定了电子基态。 都是形成能和焓的计算，前者决定了闪锌矿氮化镓的均衡浓度，后者反映了杂质周围杂质和氮原子的键强度。 Ef形成能被镓站点，氮站点以及混合而成的八面体间隙站点所替代。我们通过假设金属（镁，锌，钙）原子来计算形成能，镓原子储存所形成大量的金属和镓，因此通过下面的表达获得晶格缺陷的形成能[12]。 Ef = EGaN:M - EGaN - nEM+ mEGa + l/2EN2 EGaN:M ， EGaN， EM ， EGa ，EN2分别代表掺杂的氮化镓金属的总能量，纯的氮化镓的能量，金属的能量，正交晶系的镓和氮气的能量。m,n,l分别代表掺杂的杂质原子的数目，替代的镓原子的数目，替代的氮原子的数目。 M2N3化合物的每对原子的形成焓通过如下计算[13]： △H M2N3= EM3N2 - 3EM - 2EN EM3N2代表M2N3化合物的每对原子的总能量，EM代表金属（镁，锌，钙）杂质容量的每个原子的能量，EN代表氮气二聚物中或浓缩氮相中每个氮原子的能量。 3结果与讨论 3.1形成能 四高对称性站点正在被考虑：两种取代物（MGa and MN）和两种空隙的站点（四面体的和八面体的）。表格一显示了四个例子的晶格缺陷的形成能计算。 这是第一次注意到在闪锌矿氮化镓中镁，锌，钙间隙的形成能很高（主要是高过5eV的），这个结论与获得的结果是相似的，从镓中，氮自身空隙的形成能在中性电荷中也是高过5eV的。因此结论是镁、锌、钙金属在闪锌矿氮化镓中也许不能形成有效的浓度。 表格1 计算在不同站点杂质金属晶格缺陷的形成能 元素形成能/eV在镓站点在氮站点在四面体站点在八面体站点镁1.198.555.704.37锌2.636.597.446.07钙2.0211.527.186.9