闪锌矿结构bn, aln 和gan 的介电和动力学性质的第一性原理计算.pdfVIP

中国科学 G 辑:物理学 力学 天文学 2008 年 第 38 卷 第 8 期 : 1008 ~ 1015 SCIENCE IN CHINA PRESS 闪锌矿结构BN, AlN 和GaN 的介电和动力 学性质的第一性原理计算 ①②* ① ② ① 王焕友 , 徐慧 , 张宁丹 , 张鹏华 ① 中南大学物理科学与技术学院, 长沙 410083; ② 湘南学院物理系, 郴州 423000 ∗ E-mail: whycs@163.com 收稿日期: 2007-12-09; 接受日期: 2008-01-07 国家自然科学基金(批准号:和湘南学院重点科学基金(编号: 2007Z010)资助项目 摘要 用从头计算第一性原理赝势方法对闪锌矿结构BN, AlN 和GaN 的 关键词 电子结构、介电和动力学性质进行了计算. 用密度泛函理论赝势平面波方法 介电常数 计算了这些材料的平衡晶格常数、体弹模量和带隙. 基于密度函数扰动理论 玻恩有效电荷 的线性响应方法计算了它们的玻恩有效电荷, 高频介电常数和原子力常数. 原子力常数 声子带结构 原子力常数为在全布里渊区插入动力学矩阵是很有帮助的, 通过利用原子 力常数插入动力学矩阵得到了几个高对称性方向的声子频率. 讨论了闪锌 矿结构BN, AlN 和GaN 之间的介电和动力学性质差异, 同时与其他理论计 算和实验结果作了比较. 总的来说, 结果与其他理论和实验值比较一致. 在Ⅲ- Ⅴ族半导体中, 由于氮化物(BN, AlN和GaN)具有优良的机械和热学性质, 例如: 高 硬度、高熔点、高热导和大的体模量, 因此近些年在科学研究和技术应用上引起了人们极大的 兴趣. 这些性质与这些材料的原子之间的强力结合(离子和共价结合)和小的格子常数紧密相 关. 由于以上性质, 这些材料可被用作短波发光二极管、激光二极管、光学探测器和其他的高 温、高能和高频装置. 近些年, 这些氮化物半导体的动力学性质已被广泛的研究, 例如价力模 [1] [2] [3] [4,5] [6] [7,8] 型 、绝热键荷模型 、刚性离子模型 和冻声子方法 、超原胞方法 、线性响应方法 的 第一性原理计算. 在这些计算中, 第一性原理计算尤为广泛. 本文中, 我们对闪锌矿结构BN, AlN和GaN 的电子结构、介电和动力学性质用第一性原理赝势平面波方法进行了计算. 1 理论方法 [9] 利用密度函数扰动理论的第一性原理赝势方法, 原子的赝势按Troullier和Martins方法 产 生, 利用Troullier和Martins方法产生的软核赝势有助于极大的减小在计算过程中为取得收敛 1008 中国科学 G 辑: 物理学 力学 天文学 2008 年 第 38 卷 第 8 期 所需要的平面波数. 首先完成了对这些材料的结构松弛; 紧接着作响应函数计算, 得到了关于 原子位移、均衡电场和应变扰动的占有态波函数的第一阶微分; 然后用第一阶微