楊海鷗

摘 要以密度泛函理論為基礎(chǔ)，選擇寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4為研究對(duì)象，從晶格結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)方面，對(duì)其電子機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究，從彈性性質(zhì)與光學(xué)性質(zhì)兩方面對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行了分析。

【關(guān)鍵詞】寬帶半導(dǎo)體材料 電子機(jī)構(gòu) 性質(zhì)

Ⅱ-Ⅲ2-Ⅳ4型三元化合物，為具有缺陷黃銅礦結(jié)構(gòu)的寬帶半導(dǎo)體材料，材料電子機(jī)構(gòu)優(yōu)化性強(qiáng)，彈性以及光學(xué)性質(zhì)好，用于光學(xué)設(shè)備乃至電光器件等的制造中，在提高設(shè)備性能方面，價(jià)值顯著。本文以密度泛函理論為基礎(chǔ)，對(duì)缺陷黃銅礦結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體CdAl2S4的電子機(jī)構(gòu)、彈性及光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析：

1 寬帶半導(dǎo)體材料模擬計(jì)算方法

以密度泛函理論為基礎(chǔ)進(jìn)行模擬計(jì)算。將CdAl2S4拆分開(kāi)來(lái)，分為Cd、Al以及S三個(gè)部分，三者的價(jià)電子組態(tài)存在一定差異，Cd電子組態(tài)為4d105s2、Al電子組態(tài)為3s23p2、S電子組態(tài)為3s23p4。電子與電子之間存在的交換關(guān)聯(lián)勢(shì)，以PBE泛函作為基礎(chǔ)進(jìn)行描述。參數(shù)設(shè)計(jì)情況如表1。

從表1中可以看出，半導(dǎo)體材料參數(shù)如下：

（1）動(dòng)能截?cái)嘀担?00eV。

（2）布里淵區(qū)k點(diǎn)網(wǎng)格8×8×4。

（3）原子作用收斂標(biāo)準(zhǔn)：10-3eV/A。

（4）自洽精度：10-6eV/atom。

2 寬帶半導(dǎo)體材料的電子機(jī)構(gòu)與性質(zhì)

2.1 寬帶半導(dǎo)體材料的電子機(jī)構(gòu)

從晶格結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)方面，對(duì)寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4的電子機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究：

2.1.1 晶格結(jié)構(gòu)

寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4的原子中，不同原子的空間占位不同，具體如表2。

考慮不同原子在空間占位方面存在的差異，應(yīng)首先采用晶格優(yōu)化的方法，提高材料結(jié)構(gòu)本身的穩(wěn)定性，CdAl2S4的晶格結(jié)構(gòu)參數(shù)以及鍵長(zhǎng)如下：Cd-S鍵長(zhǎng)2.577、Al1-S鍵長(zhǎng)2.279、Al2-S鍵長(zhǎng)2.272。a實(shí)驗(yàn)值2.553，計(jì)算值5.648。

2.1.2 能帶結(jié)構(gòu)

寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4的能帶結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1顯示，寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4的價(jià)帶主要由三部分所構(gòu)成，分別為低價(jià)帶、高價(jià)帶與最高價(jià)帶：

（1）低價(jià)帶：低價(jià)帶即能量最低的價(jià)帶，包括S的s態(tài)以及Al的s態(tài)等部分，通過(guò)對(duì)半導(dǎo)體材料CdAl2S4的低價(jià)帶的觀察可以發(fā)現(xiàn)，S與Al兩者中所包含的原則，具有較高的結(jié)合性質(zhì)。

（2）高價(jià)帶：與低價(jià)帶相比，高價(jià)帶的能量相對(duì)較高，判斷與Cd原子有關(guān)。觀察圖1可以看出，半導(dǎo)體材料CdAl2S4高價(jià)帶Cd-d態(tài)的局域性較強(qiáng)。

（3）最高價(jià)帶：最高價(jià)帶的能量最高，一般在-5.4-0eV之間，該價(jià)帶包括上下兩部分，兩部分所包含的能態(tài)各不相同。以導(dǎo)帶部分為例，其能態(tài)一般在3.395eV-6.5eV之間。

2.2 寬帶半導(dǎo)體材料的性質(zhì)

從彈性性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)兩方面，對(duì)寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4的性質(zhì)進(jìn)行了分析：

2.2.1 彈性性質(zhì)

晶體相鄰原子的成鍵性質(zhì)等，與彈性性質(zhì)存在聯(lián)系。從寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4的各向異性因子，該材料的彈性性質(zhì)呈現(xiàn)各向異性的特點(diǎn)。

寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4的延展性與脆性，與彈性同樣存在聯(lián)系，簡(jiǎn)單的講，材料的延展性與彈性呈正相關(guān)，材料脆性與彈性，則呈負(fù)相關(guān)。通常情況下，材料的延展性與脆性如何，可以采用體模量與剪切模量之間的比值來(lái)確定，當(dāng)兩者之間的比值在1.75以下時(shí)，說(shuō)明材料的延展性較差，脆性較強(qiáng)，彈性性質(zhì)較差。相反，當(dāng)兩者之間的比值在1.75以上時(shí)，則說(shuō)明材料的延展性較強(qiáng)，脆性較弱，彈性性質(zhì)較強(qiáng)。

通過(guò)對(duì)寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4體模量與剪切模量之間的比值的計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，比值為1.876，較1.75大，可以認(rèn)為，該材料的延展性較強(qiáng)，脆性較弱，彈性性質(zhì)較強(qiáng)。

2.2.2 光學(xué)性質(zhì)

半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)，屬于其物理性質(zhì)中極其重要的一方面，在光學(xué)儀器等的研制過(guò)程中，對(duì)半導(dǎo)體材料的光學(xué)性質(zhì)十分重視。寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4的本質(zhì)來(lái)看，該材料晶體為四方晶系單光軸晶體，各向異性顯著。

將光譜能量確定為0-20eV，對(duì)材料的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料CdAl2S4的光子能量在3.5eV以下以及12.5eV以上的區(qū)域，而不存在在兩者之間，可以認(rèn)為，該材料晶體的光學(xué)性質(zhì)具有各向異性。另外，研究顯示，該材料的反射系數(shù)可達(dá)到0.85，強(qiáng)放射峰在紫外區(qū)域，可以認(rèn)為，寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4具有紫外探測(cè)以及紫外屏蔽的光學(xué)性質(zhì)。

3 討論

寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4電子機(jī)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，延展性較強(qiáng)，脆性較弱，彈性性質(zhì)較強(qiáng)，具有紫外探測(cè)以及紫外屏蔽的光學(xué)性質(zhì)。未來(lái)，應(yīng)對(duì)寬帶半導(dǎo)體材料的性質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以開(kāi)發(fā)出該材料的更多功能，確保其價(jià)值能夠得到更好的發(fā)揮。

4 結(jié)論

鑒于寬帶半導(dǎo)體材料CdAl2S4在電子機(jī)構(gòu)以及彈性性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)方面存在的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)，可以將其應(yīng)用到紫外探測(cè)以及紫外屏蔽等材料的研制過(guò)程中，使之優(yōu)勢(shì)能夠得到充分的發(fā)揮，為社會(huì)各領(lǐng)域的發(fā)展發(fā)揮價(jià)值。

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