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1、第56卷第7期2007年7月物理学报Vol.56,No.7,July,200710003290200756(07)407906ACTAPHYSICASINICA2007Chin.Phys.Soc.*高压下ZnS的电子结构和性质1)1)1)1)1)2)胡永金崔磊赵江滕玉永曾祥华谭明秋1)(扬州大学物理科学与技术学院,扬州225002)2)(浙江大学物理系,杭州310027)(2006年5月31日收到;2006年11月13日收到修改稿)运用密度泛函理论体系下的平面波赝
2、势(PWP)和广义梯度近似(GGA)方法,计算研究了闪锌矿结构的ZnS晶体在不同的外界压强下的电子结构.通过分析发现,随着外界压强的增大,晶格常数和键长在不断缩小,从S原子向Zn原子转移的电荷越来越少,ZnS键的共价性逐渐增强,Zn原子和S原子的态密度都有不同程度的变化,而且还有向低能量移动的趋势.当外界压强达到24GPA时,ZnS从直接带隙半导体变成间接带隙半导体,而且随着压强的增大,间接带隙逐渐变小,直接带隙逐渐增大.关键词:闪锌矿结构,态密度,能带结构,密度泛函理论PACC:7115J,7120H
3、,62501引言2计算方法和模型ZnS是!族半导体材料中一种重要的半导多原子体系中应用BornOppenheimer近似能量[13]体材料,它有闪锌矿和纤锌矿两种不同的结构,的泛函形式为2有着非常宽的带隙,具有优良的电光特性和广泛的-Ei()=ii+(r1)!xc[(r1)][4]∀2应用前景,已经越来越得到人们的关注.Ves和i#∃#[5]Zhou等人研究了ZnS的结构特性,光学性质,电子V!(r1)+-VN(r1)+VNN,(1)[6]2∃结构,董国义等人用微波吸收法进行了掺杂研
4、究,他们都得到了比较满意的结果.ZnS高压下的特性对(1)式变分求极小值,可导出多原子体系的Kohn[7]Sham方程已经得到了大家的高度关注,Chang和Barsch用超2-声波穿透的实验方法测量出了状态方程,文献[8]中-VN+Ve+∀xc()i(r)=!ii(r),2用HartreeFock方法计算出了晶体的参数随着压强(2)的变化情况.但是高压下ZnS的态密度和能带结构式中∀xc()是交换相关能Exc的微分.在(2)式计算的变化情况还很少被人关注,也没有见到高压Zn原中,∀xc()可
5、采用局域密度近似(LDA)或广义梯度子和S原子之间的电荷分布及其转移方面的报道.[9]近似(GGA)自洽计算.具体来说,LDA是利用均匀本文采用基于密度泛函理论下的从头计算平面电子气的电荷密度泛函(r)来得到非均匀电子气波赝势(PWP)方法对比较稳定的闪锌矿(ZnS)晶胞的交换相关泛函在高压下进行了几何优化,得到了不同压强下的晶格参数和键长等几何参量,还得到了电荷转移,ZnExc()=%(r)!xc[(r)]dr,(3)原子和S原子的态密度分布,能带结构情况,这些结但是GGA是在交换相关能中加入与
6、电荷密度梯度果对于理解高压下ZnS这一半导体材料的物性是很或高阶梯度有关的项,它实际上是在完全局域的有帮助的,甚至对实验上材料的改性都有借鉴作用.LDA交换相关能中引入电子交换与关联的非局域的*江苏省高校自然科学研究项目资助的课题.通讯联系人.Email:xhzeng@yzu.edu.cn4080物理学报56卷[10,11]贡献,其表达式用Perdew等人提出的广义梯度近似修正Exc[&,∋]3=%drf(&,∋,&,∋).(4)在晶体势场中,采用周期性边界条件后,电子轨道
7、波函数满足Bloch定理,用平面波展开为ik(rkig(ri(r)=e∀Ci(g)e,(5)g式中g是原胞的倒格矢,k是第一布里渊区内的波k矢,Ci是单电子轨道波函数的Fourier系数.本文的计算是基于平面波PWP从头计算方法,图1ZnS在不同压强下的晶格参数图对闪锌矿结构的ZnS在外界压强下(从0GPa到100[12]GPa)进行了几何优化计算,交换关联能用GGA来描述,为确保计算速度并能满足足够的精度,本文计算ZnS本体时平面波截止能量(cutoffenergy)取400eV,K网格(Kme
8、sh)的大小都为4)4)4,保证了体系能量和构型在准完备平面波基水平上的收敛.原子间的相互作用力的收敛标准是0005-5eVnm,能量的收敛标准是20)10eVatom.参与24102计算的价态电子:S为3s3p,Zn为3d4s.3结果与讨论图2ZnS在不同压强下的总能量图31几何结构优化32电子结构闪锌矿结构ZnS类似于金刚石结构,每个晶胞图3和图4分别给出了ZnS晶体中的S原子和中包含四个Zn原子和四个
