纤锌矿结构AlN、GaN及ZnO自发极化的第一性原理研究

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1、纤锌矿结构AIN、GaN及ZnO自发极化的第一性原理研究牛海波竹有章李冠强西安交通大学城市学院物理教学部陕西科技大学文理学院摘要：根据现代极化理论，分别利用Berryphase方法和最大局域化Wannier函数方法系统计算了纤锌矿结构AIN、GaN及ZnO中的自发极化，并从电子项和离子项引起的极化变化具体分析了自发极化的起源•研究表明A1"自发极化中电子项的贡献占据主导地位，而GaN及ZnO自发极化屮以离子项的贡献为主•研究发现其他文献计算自发极化时，由于计算模型和参考模型使用相同的体积，导致计算结果偏小•利用Wannier中心

2、，从结构中最小重复单元的电偶极矩出发对原有计算公式进行了修正，使得自发极化的计算结果更趋合理•研究发现在特定建模条件下，可以不用计算参照模型中的极化，利用Wannier中心确定纤锌矿结构中正负电荷的重心，通过经典的静电学理论直接计算出自发极化，直观解释了自发极化的形成.关键词：纤锌矿结构;自发极化;Wannier中心;第一，性原理;作者简介：牛海波（1981-），男，山西运城人，副教授，博士，研究方向：宽禁带半导体屮的极化场性质收稿日期:2017-08-15基金：陕西省教育厅专项科研计划项目仃6JK2099）First-prin

3、ciplesstudyofspontaneouspolarizationofwurtziteAIN,GaNandZnONIUHai-boZHUYou-zhangLIGuan-qiangDepartmentofPhysics,Xi'anJiaotongUniversityCityCollege;SchoolofArtsandSciences,ShaanxiUniversityofScience&Technology;Abstract：ByusingBerryphaseandmaximallylocalizedWannierfunc

4、tionsmethodsbasedonthemodernpolarizationtheory,thespontaneouspolarizationofwurtziteAIN,GaNandZnOarecalculatedrespectively.Theoriginofspontaneouspolarizationisstudiedfromthepolarizationvariationofionicandelectronicpart.TtisfoundthatthesponterneouspolarizationofAINispr

5、imaril）^fromtheelectronicpart,whilethespontemcouspolarizationofGaNandZnOismainlyfromtheionicpart.Sincethecomputationalmodelandreferencemodelhaveasamevolumeintheliterature,itisfoundthattheresultisreducedcomparedwithourresult.Onthebasisofthediscussionoflocaldipole,acor

6、rectionformulaisgiventomakethecalculationmorercasonoble.Usingthechargedepthoftheformulaunit,wealsoproposedanewmethodtodirectlycalculatethespontaneouspolarizationofwurtzitestructurewithoutthecomputationofrefereneestructure.Theproductionofthespontaneouspolarizationcanb

7、eintuitivelyexplanationintermsofthismethod.Keyword：wurtzitestructure;spontaneouspolarization;Wanniercenter;firstprinciples;Received：2017-08-15o引言AIN、G衆及ZnO作为典型的第三代半导体材料，具有直接带隙且带隙宽度大的显著优点[1,2],因而呈现出优界的发光特性，在蓝光、深紫外发光器件及光电探测器件等领域具有重要的应用价值•如随着高质量P型GaN（禁带宽度3.4eV）制造工艺的突破辺，

8、G戒基蓝绿光发光二极管已经研制成功并商品化，占据了发光二极管市场的绝大多数份额.2006年，Taniyasu等血成功制作出直接基于A1N的发射波长为210nm的深紫外发光二极管，成为迄今为止在氮化物半导体领域获得的最短发射波长•通过将AIN、GaN及InN组成三