CuAlO2电学及光学性质理论计算研究

1、第一性原理计算研究第一性原理计算研究CuAlO2电学及光学电学及光学特性特性 班级：应物101 学号：3100831032 姓名：张小娟 指导教师：王伟研究思路1 CuAlO CuAlO2 2研究研究进展进展2 密度泛函理论密度泛函理论3 CASTEP软件软件介绍介绍4 理论模型及理论模型及计算方法计算方法5、计算结果及、计算结果及分析分析6 总结及展望一、研究进展 (TCO) 性质： 高的透明度 日本细野教授 高的电导率 首次发现p 型 分类n型和p型 TCO薄膜CuAlO2 于1997年发表在 Nature期刊上。 此后，引起了人们 对CuAlO2的研究。 透明导电氧化物（TCO） CuA

2、lO2是一种I-III-VI族间接禁带半导体，在可见光范围内具有优良的光学性质。1997年Kawazoe等报道了一种新型的p型TCO薄膜材料CuAlO2，在500nm厚度的情况下，CAO膜的可见光透射率达到80%，电导率9.510-1Scm-1。1999年，美国科罗拉多大学的Stauber等首次报道了RF磁控溅射制得的CuAlO2薄膜。其可见光范围内的透射率达到70-80%。2003年，印度Jadavpur大学物理系的BANERJEE等人所得的薄膜在可见光范围内的透过率70%左右，接着他们又制备纳米结构的p型导电CuAlO2薄膜，结果表明，光学带隙基本上随溅射时间的增加而减小，当溅射时间为3分

3、钟时，可见光透射率几乎达到99%。二、密度泛函理论用h、m0、c、kB、e描述体系基本电子分布。计算中需用到近似或简化计算。第一性原理基本思想就是利用粒子密度粒子密度描述多电子原子、分子固体的基本性质。密度泛函理论（DFT）密度泛函理论主要的简化和近似方法：将原子核和电子运动分开的绝热近似法；1将多电子转化为单电子问题的自洽场近似方法；2局域密度近似或广义梯度近似方法。3三、CASTEP软件简介CASTEP是专为固体材料科学设计的当前最高水平的量子力学软件包之一。采用最普遍使用的交换-相关泛函实现DFT的计算体系电子自恰能量最小化采用迭带计算的方式离子实与价电子之间相互作用用赝势来表示广泛采用

4、快速傅里叶转换对体系哈密顿量进行数值化计算超晶胞的周期性边界条件 平面波基组描述体系电子波函数理论理论CASTEP是专为固体材料科学设计的当前最高水平的量子力学软件包之一。化学反应的过渡态搜索计算周期体系的弹性常数 计算晶体性质执行动力学任务计算体系总能进行结构优化功能功能 四、理论模型及计算方法1、CuAlO2理论模型晶格常数：a=b=2.85 c=16.94。带隙： 间接带隙Eg=1.8eV， 直接带隙Eg=3.5eV。晶胞结构单元：平行c轴分布的O-Cu-O哑铃结构；垂直c轴的六角 Cu层；AlO2共边八面体。 图4.1 CuAlO2晶格结构示意图下图4.2中，a、b分别为CuAlO2的

5、原胞和晶胞，利用对称性可以由晶胞来得到原胞。本文使用原胞来进行计算，使用原胞，原子数较少，计算量大大减小，计算时间将被缩短。 图4.2 （a） CuAlO2原胞结构 (b) CuAlO2晶胞结构 2、计算方法本文中的计算工作都是由Material studio 6.0 中的Castep软件完成的。操作步骤：导入晶体结构-设置计算任务-分析平面波截断能量cut off351eV，布里渊区的积分采取666的特殊K点对全布里渊区求和。五、计算结果与讨论1、CuAlO2的能带结构要研究CuAlO2的能带结构性质，首先要在倒空间选取高对称点及所对应的路径，本文所选路径为FGZLF，在布里渊区分布如右图所

6、示： 图5.1 布里渊区 能带结构： 电子能带结构在布里渊区沿 着高对称轴方向变化如图 5.2所示。由此可见: 价带顶在F点，导带底在 G点 。 说明CuAlO2属于间接带 隙半导体，间接 带隙宽度为2.038eV， 直接光学带隙为2.7eV。 图5.2 能带结构 态密度也就是体系各个能量 状态的密度。 从图5.3可看出: 价带和导带在费米能级两侧呈 不对称分布， 靠近费米能级附近导带中的第 一个剑锋源于Cu-d态O-p态所 形成的键。 在费米能级两侧附近价带和 导带各有一个陡峭的峰，揭 示了在布里渊区F点附近的各 向异性键结构。 图5.3 态密度 2、态密度3、光学性质的理论描述 在线性响应

7、范围内, 固体宏观光学响应函数通常可以由光的复介电常数()1()i2()来描述。它是表示材料绝缘能力特性的一个系数，以字母表示，单位为法/米(F/m)。其中 1n2 k2 （5-1） 22nk （5-2） 上式中n和k分别为折射系数和消光系数。 虚部2（）是用价带和导带波函数的动量矩阵元计算出来的： （5-3） 我们可以从Kramers-Kroning 关系得到实部1（） （5-4） 其中M是积分的主值。最后，我们可以利用实部和虚部直接计算所有频率依赖性光谱（例如，折射率n（），消光系数 k（），吸收系数（），能量损失函数 L（），反射率R（），光电导） cckdmVe2322222 d022

8、2121以下关系是分析晶体能带结构和光学性质的理论依据, 它反映了能级间电子跃迁所产生光谱的发光机理，而且从某种意义上说, 这些光学常数更能表征材料的物理特性, 更易于与物理过程的微观模型及固体的微观电子结构联系起来。 （5-7） （5-8） （5-9） （5-10） 21122212n （5-5） （5-6） 211222122 21122212 222121ImL 222211nnR21i 3.1 CuAlO2介电函数介电函数虚部和实部的计算显示在下图5.4中： 当频率0时，静态介电函数1（0）约为5.5。介电函数实部1（）在3 eV左右达到峰值,主要由电子从价带顶跃迁到导带底部而产生;

9、介电函数的虚部2（）在2 eV开始吸收，并在4 eV处达到最大值。虚部是影响材料光学性质最根本的因素。 图5.4 3.2 CuAlO2反射率可见光光子能量在2.1到3.1eV之间，由图5.5可见，在可见光区域内，反射率很低，其值约为0.2。 图5.5 反射率3.3 CuAlO2能量损失函数能量损失函数L()是描述材料中电子快速转移引起的能量损失的一个重要因素。我们从图5.6可知：在可见光区域L()约为0。 图5.6 能量损失函数3.4 CuAlO2吸收系数吸收系数（）表示光强在单位位移内的衰减程度。从图5.7可发现CuAlO2吸收系数在可见光区吸收很小，在红外区几乎不吸收，在紫外区开始出现较明显的吸收峰。 图5.7吸收系数3.5 折射率如图5.8所示:静态折射率n0是2.35；根据折射率和介电函数的关系n2-k2=1，当 1=5.5,k0，则n021=5.5，可以计算出 n0=2.35。 图5.8 折射率3.6 光电导光电导的实部和虚部如图5.9所示：光电导的实部一直为0，直到能量增加到大约2.5eV。 图5.