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氮化镓(GaN)作为直接宽禁带半导体材料,具有优异的物理和化学性质,是制备高温、高功率、高频电子器件以及发光二极管、激光二极管和光电探测器等光电子器件的重要材料。
本文运用第一性原理方法,分别以局域密度泛函LDA和广义梯度近似GGA,利用移植性较好的超软赝势和模守恒赝势,系统地研究了GaN晶体立方的NaCl结构(B1)、CsCl结构(B2)、ZnS闪锌矿结构(B3)以及六角的ZnS纤锌矿(B4)结构、NiAs结构(B81)和h-BN结构(Bk)等相的电子结构、晶格动力学、平衡晶格常数、体弹模量和弹性系数等与原子结构相关的性质。通过赝势总能随体积的关系,说明六种不同结构的相稳定性顺序和可能的体积相关相变的趋势。进一步计算了T=0 K时体系得Gibbs自由能随压强和体积的变化曲线,分析讨论了不同的压强对六种不同结构相稳定性相对变化的影响,并对可能的相转变压强进行计算。结果说明,论文工作的计算与有关的实验数据和他人的计算结果相符,相稳定性的顺序为:B4≥B3>Bk>B1>B81>B2,弹性系数数据说明B4、B3和B1为GaN的稳定相,而B2、B81和Bk则为不稳定结构。
利用线性响应方法和模守恒赝势,经过计算GaN不同结构中原子间的受力状况,获得了这六种的声子色散关系和声子态密度,并进一步计算了晶格比热和德拜温度等热力学性质。根据各结构声子谱中出现的负频率的声子软化虚频现象,讨论分析六角结构的相稳定性。由晶格比热确定了德拜温度,从德拜温度的高低说明了各结构中晶格振动模式激发的难易程度,进一步从晶格动力学的角度对GaN相稳定性进行了阐述。
针对GaN的各种结构,由计算出的能带结构、电子态密度,依据费米能级EF附近价带的主峰位置、峰高的状态,以及费米能级处的态密度,对结构差别对电子填充状况的影响进行了分析说明,在电子壳层的层次上对GaN体系得稳定性进一步的分析和讨论。
鉴于不同的组元会对结构的稳定性产生影响,论文工作也涉及了与N同族的第VA元素P、As对结构稳定性的影响,分别从电子结构、晶格动力学等方面对GaP和GaAs的相稳定性说明,阐述了原子质量变化和电子结构变化对晶格振动相关性质和GaN、GaP和GaAs原子间电子交迭状况的变化,进而说明了非金属组元变化对结构稳定性的影响。