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自1947年贝尔实验室成功发明第一只锗晶体管以来,半导体材料已经历了前后三代的发展历程。在太阳能电池材料领域中,目前还存在能带结构、成本,固有缺陷、载流子迁移率、载流子寿命、制备工艺等诸多方面的困难和不足,因此寻找直接带隙或经过能带调制而成为直接带隙的新型半导体材料,以满足太阳能电池对新型半导体材料的迫切要求,是半导体材料研究领域亟需解决的关键问题之一。基于此,本文采用第一性原理方法研究和探索适用于太阳能电池应用的新型半导体材料,主要研究体系是ⅣA族元素半导体材料、氮化物和碳化物等二元化合物半导体材料以及碳氮化物三元化合物半导体材料,并对现有的Ca O半导体材料及本文提出和所设计的半导体材料进行能带调制研究,从而获得了满足太阳能电池的要求新型半导体材料。论文通过理论模型建立并结合仿真结果,研究和分析材料的生成焓、弹性模量、声子谱、能带结构、态密度、各向异性以及Mulliken键布局数等,并据此确定材料的稳定性、力学性能、电学性质等。本文主要的研究内容有以下几个方面:1.提出了九种新颖的硅结构,其中五种单斜相(空间群分别是Cm,C2/m,P21/m,P2/m),两种正交相(空间群分别为Amm2,一种四方相(空间群为I4_),P2221),一种立方相(空间群为Pm3_m)。然后分析预测结构的稳定性、电学性质以及力学性能。研究表明,具有正交相的P2221硅与金刚石相硅比较,形成焓最低,是所有预测的新结构中最稳定的。利用第一性原理计算优化的结构和电子特性参数分析各新结构的电子性质,结果表明单斜相的Cm硅和P21/m硅表现出直接带隙,Amm2硅则为具有准直接带隙的半导体材料。力学性能方面,单斜相硅中C2/m-20硅,P2/m硅和正交相中Amm2硅在a轴上的不可压缩性优于金刚石相,Cm硅,P21/m硅,C2/m-20硅,P2/m硅,Amm2硅在b轴上的不可压缩性优于金刚石相,而在c轴上优于金刚石相的只有P21/m硅和C2/m-20硅。研究表明它们的体积模量都十分接近,其中P2221硅和C2/m-20硅最接近金刚石相硅。随后,作者还研究了具有正交相Cmcm锗和六方P63/mmc锗,证明了这两种锗的同素异形体热力学、力学和动力学稳定。能带结构仿真结果表明P63/mmc锗的带隙很小且接近于0,而Cmcm锗是带隙0.93 e V的直接带隙半导体,是制作远红外线探测器的潜在材料。此外,Cmcm相和P63/mmc相锗的光学性质和热导率都优于金刚石相硅。2.研究了新型氮化物和碳化物等二元化合物半导体。其中氮化物二元化合物半导体重点研究了两种新结构的C3N4和一种新结构的Ga N,其中C3N4具有极好的化学、力学和电子性质,是比较廉价而且容易被合成的半导体材料之一。弹性常数和声子谱表明这两种新结构的C3N4在100 GPa可以稳定存在。电子能带结构表明这两种C3N4都为带隙在4.2-4.5 e V的宽禁带准直接带隙半导体材料。类似的方法还研究了三种新结构的Si3N4的结构性质、力学性能、电子结构和弹性各项异性,研究表明三种Si3N4都是间接带隙半导体。此外,作者还设计了一种新型结构的Ga N,它由镓原子和氮原子组成的四元环和八元环组成。该Ga N是一种带隙为1.85 e V的直接带隙半导体,是制作红光二极管的潜在二元半导体材料,相对于三元半导体材料来说,省去了掺杂的步骤。对β-Ga N,主要研究了温度对它的力学、热力学性质的影响。论文还研究了P42/mnm-BC,R3-B2C,I4mm-B3C等三种碳化物化合物半导体,这三种碳化物只有R3-B2C是直接带隙的窄禁带半导体材料。3.研究了新型碳氮化硼三元化合物半导体。研究表明P3m1、Imm2、I4_m2三种新型结构的BCN都有着十分优越的力学性质,其中三角晶系的P3m1 BCN的体积模量、剪切模量和杨氏模量都大于立方氮化硼,正交相Imm2 BCN和四方相I4_m2BCN的弹性模量都十分接近立方氮化硼。而且Imm2 BCN为禁带宽度为2.45e V的直接带隙半导体,I4_m2 BCN和P3m1 BCN分别是间接带隙的窄禁带半导体材料和宽禁带半导体材料。最后系统的研究了这三种新碳氮化硼的结构、力学、各向异性等物理性质。4.论文最后研究了氧化钙等合金半导体的能带调制。众所周知氧化钙是间接带隙半导体,文中首先对现有的氧化钙结构掺入镁原子进行能带调制。通过在氧化钙的中加入镁元素,成功的使Ca1-x Mgx O合金转变为直接带隙半导体。随后研究了新型Ga N材料掺入微量铝元素后,Ga1-x Alx N合金随铝元素增加其物理性质的变化趋势。最后研究了几种C-Si和Si-Ge合金,成功在非直接带隙的元素半导体中调制出了直接带隙的C-Si和Si-Ge合金,如单斜相C12Si8为带隙为0.17e V的窄禁带直接带隙半导体材料,而Si-Ge合金都为直接带隙半导体。研究结果表明Si-Ge合金的光学性质和热导率都优于金刚石相硅,满足太阳能电池的要求。