立方cdhgse_2电子结构和光学性质的第一性原理.

1、立方CdHgSe_2电子结构和光学性质的第一性原理计算刘其军，刘正堂，冯丽萍，许冰（西北工业大学 材料学院；凝固技术国家重点实验室，陕西 西安 710021）摘要：采用广义梯度近似平面波超软赝势法，计算研究了立方CdHgSe_2的结构，电子和光学性能。结果表明，立方CdHgSe_2的直接带隙是0.03eV，并且以最小总能两计算所得的结构参数与其他文献结果吻合较好。计算了复杂的介电函数，折射率，消光系数，光学反射率，吸收系数，功能复杂的电导率和能量损失谱。由于半导体合金材料的结构，在（100）和（001）方向上具有明显的光学各向异性。这是第一次对立方CdHgSe_2的光学性质进行理论预测，其结果

2、仍需实验结果进行确认。关键词：密度泛函理论，电子结构，光学性质，立方CdHgSe_2简介II-VI 族半导体发光材料具有优异的光电催化及光电转化活性等特性，已应用于发光二极管，太阳能电池，光电检测器，电摄影，激光，生物标签和细胞成像红外设备等领域。近年来，人们对II-VI族半导体材料的制备方法、性能及其应用进行了大量的研究，取得了重要的成就。此外，人们对CdSe HgSe对三元和伪二元半导体材料的影响也很有兴趣。Bhuse等计算出CdSe，HgSe和Cd0.5Hg0.5Se的光学带隙为1.75eV，0.81eV，1.34eV；Hankare等发表了有关于Cd1-xHgxSe(0<x<

3、;1)薄膜的生长动力学极其结构和光电性质的报告。然而，有关于CdHgSe_2的理论数据却是少之又少的。因此我们通过广义梯度近似平面波超软赝势法，计算研究了立方CdHgSe_2的结构，电子和光学性能。计算方法本研究采用Accelrys公司的Materials Studio中的CASTEP模块进行计算。此模块基于密度泛函方法的从头算量子力学程序:利用平面波赝势方法,将离子势用赝势替代,电子波函数用平面波基矢组展开,电子-电子相互作用的交换和相关势由局域密度近似(LDA)或广义梯度近似 (GGA)进行校正,它是目前较为准确的电子结构计算的理论方法。在用超软赝势描述价电子与芯态关系时，Cd的结构为Kr

4、4d105s2，其中的4d10和5s2电子为价电子；Hg的结构为Xe4f145d106s2,其中5d10和6s2电子为价电子；Se的结构为Ar3d104s24p4，其中4s2和4p4为价电子。计算中平面波阶段能取350eV，布里渊区积分采用Monkhorst-pack的3×3×2进行分格。自洽场运算中,自洽精度设为每个原子能量收敛至5.0×10- 6eV,作用在每个原子上的力不超过0.01eV.nm-1,内应力不大于0.02GPa，位移收敛于5.0×10-4。电磁波在介质中传播，当需要考虑吸收的影响时，介电函数要用复数（）1（）i2（）来描述，其中2（）

5、2n（）k（），可以用1，2描述晶体的光学性质，也可以用n、k来描述光学性质，二者是等价的17。利用Kramers-Krönig关系，可以推导出晶体的介电函数的虚部、实部、吸收系数、反射系数等具体推导过程请参阅文献17,18，这里只给出与我们计算有关的内容： （1）（2） 其中p为积分的主值。 （3） （4） （5）计算结果及讨论1. 结构优化通过GGA来优化立方CdH gSe_2的结构以便检验超软赝势的适用性和准确性。表1为实验结果与理论计算结果的对比，其结果表明我们得到的理论结果与实验结果相吻合。表1 优化后立方CdH gSe_2的结构参数与计算值及实验值比较2. 电子结构在几何

6、结构优化后，GGA电子能带结构和周围的费米立方CdHgSe_2沿布里渊区高对称点方向的能带结构计算结构见图1。由图1可以看出，立方CdH gSe_2属于直接带隙半导体，因为从价带顶到导带底都在G点。计算得出的最小带隙为0.03eV，远小于实验结果1.34eV，这是由于计算方法本身在求解激发态能量时的不足使得得到的带隙会比实验值小。表2给出了带隙能与导带价的过渡对称性。 图2给出了CdHgSe_2的总态密度和分态密度图。从图中可以看出有5个不同的电子态密度结构。低价带部分带宽为2.25eV，主要由Se的4s电子构成，其中态密度的峰值出现在-12.26eV处。位于- 8.93 eV 到 - 7.0

7、1eV带宽区域主要由Ge的4d电子与Se的4p电子交杂构成，而峰值出现在-7.83eV。位于- 7.01eV 到 5.13eV带宽区域主要由Hg的5d电子与Se的4p电子交杂构成，而峰值出现在-6.06eV。更高一级的能带主要由Se的4p电子与Cd的5s电子与Hg的6s电子交杂构成，并且出现了3个峰值，分别是：-4.17eV、-1.49eV、-1.17eV。导带主要是由Cd的4p电子和Hg的5p电子，同时杂化了Se的4s、Se的4p电子也有贡献。图3中可以看出立方CdHgSe2在（010）和（101）面的总电子密度。CdHgSe2的价带和导带在高对称点的大量有效电子团的BZ可以由表3看出。遗憾

8、的是没有有关于CdHgSe2有效电子团的报道数据。由GGA计算出的结果可能有助于研究含有HgSe和CdSe的三元和伪二元的半导体材料。 3. 光学性质通过平衡晶格常数计算得出的光学特性，其能量范围高达30eV，列于图4-6。考虑到计算方法本身得到的带隙比实验值小，需要通过剪刀算符进行修正，引入的修正因子为1.34eV，将带隙提高到与实验数据相符的1.31eV。立方CdHgSe2的吸收系数如图4所示，静态折射率为n（100）（0）=2.67、n（010）（0）=2.78这和实验数据2.49的HgSe、 2.72 CdSe相近，这表明通过剪刀算符进行修正是正确的。折射率随着能量的增加而增大，在（1

9、00）和（010）方向上分别为2.05Ev和1.87eV处达到最大值。由图5可看出立方CdHgSe_2的介电函数的实部和虚部1（100）=7.15和1（010）=7.73。由于只考虑电子，得出的数据都小于实验数据CdSe的10.6和HgSe的25。光反射率，折射率吸收系数，复杂系数函数和能量损失谱可由图6得知。结论采用广义梯度近似（GGA）平面超波软赝势法对立方CdHgSe_2的电子结构进行了第一性原理计算。以最小总能量得到的结构参数与其他文献数据相一致。并计算并分析了CdHgSe_2的复杂的介电函数，折射率，消光系数，光学反射率，吸收系数，电导率和能量损失谱函数等。为从实验上研究立方CdHg

10、Se_2的电子结构和光学性质之间的关系提供了理论数据。通过对比证实了立方CdHgSe_2在极化方向（100）和（010）方向上具有光学特异性，这为立方CdHgSe_2的实际应用提供了理论支持。参考文献 1 Xu L, Chen K, Zhu J , et a. l Co reshe ll structure and quantum effect of CdSe /HgSe /CdSe quantum dot quantum well J . Supe rlattices andMicrostructures , 2001 , 29 ( 1): 67- 72 2 Hankare P P, Bhu

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