锗和锗锡合金能带调控的第一性原理研究

来源 :中国石油大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:markhai
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锗和锗锡合金是当前硅基光电集成领域的热点材料,但是其作为间接带隙材料发光效率不高,而且生产高质量单晶难度也较大,这限制了其在光电器件和光电集成等方面的应用。通过能带工程对锗和锗锡合金的能带结构和光学性质进行调控,是改善其能带特性和发光效率的重要途径,这有助于降低生长难度和提高器件质量。本文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,并结合带隙修正理论和能带反折叠技术,较系统地研究了弛豫锗、双轴和单轴应变锗、单轴应变锗锡合金的晶体结构、能带结构和光学性质,主要研究内容和结果如下:1.采用第一性原理方法结合带隙修正理论,研究了锗在不同应变下的能带结构、介电函数和光学性质。计算结果表明,在单轴和双轴应变下锗均可以由间接带隙转向直接带隙,且[110]和[111]单轴应变调控下的带隙高于双轴应变,拥有更小的应变量;(100)和(110)双轴应变调控下的转变点分别为2.62%和3.17%,而[100]、[110]和[111]单轴应变调控下分别为3.03%、1.81%和1.22%;适当应变有助于改善锗的光学性质。2.采用第一性原理方法结合带隙修正理论和能带反折叠技术,研究了弛豫锗锡合金的结构性质、能带结构、态密度和光学性质。研究表明,锗晶体中引入锡元素,可以改变锗锡合金Γ能谷、L能谷和X能谷的相对位置,有效地改善其能带结构,使其从间接带隙材料转变为直接带隙材料,转变点为8.859%,与实验值9%相接近。锗锡合金态密度图中,导带(0eV
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