立方cdhgse_2电子结构和光学性质的第一性原理

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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

2、光学性质进行理论预测，其结果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CdSeHgSe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；Hanka

3、re等发表了有关于Cd1-xHgxSe(0

4、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]4d105s2，其中的4d10和5s2电子为价电子；Hg的结构为[Xe]4f145d106s2,其中5d10和6s2电子为价电子；Se的结构为[Ar]3d104s24p4，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

5、播，当需要考虑吸收的影响时，介电函数要用复数ε（ω）＝ε1（ω）＋iε2（ω）来描述，其中ε2（ω）＝2n（ω）k（ω），可以用ε1，ε2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CdHgSe_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，

6、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CdHgSe_2的结构参数与计算值及实验值比较1.电子结构在几何结构优化后，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CdHgSe_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

7、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-8.93eV到-7.01eV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、

8、Se的4p电子也有贡献。图3中可以看出