半导体hgs在高压下的电子结构和能带结构。黄海锋

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1、半导体HgS在高压下的电子结构和能带结构班级粉体2班姓名黄海锋学号1103012035摘要半导体HgS在激光器、发光二极管、光放大器、光纤通信光电子学领域有着十分广泛的用途，是非常重要的半导体材料。首先，我们可以利用平面波赝势密度泛函理论研究HgS的能带结构以及态密度。在计算中得到了HgS的间接带隙为Eg=3.652Ev。这个结果与其他的理论和试验结果相一致。其次，我们利用同样的方法研究了HgS的光学性质。当光通过晶体材料时会发生各种现象：反射、吸收、能量损失等。这和光与晶体中的电子、杂质等的相互作用密切相关。通过研究固体中的光吸收光发射，可以直接得到晶体中电子的状态——能带结构

2、和其他的激发态信息。HgS是半导体，带隙宽度是2.1eV，具有螺旋链结构。当压力大于8GPa时，它的电导率随着压力的增加而迅速增加，同时电导率随着温度的增加而增加，表现出半导体的导电特性。当压力高于29GPa时，样品的电导率基本上不再随着压力的增加而改变，同时样品的电导率随着温度的增加而减小，样品呈现金属导电特性。因此我们确定了-HgS金属化的压力是29GPa。利用第一性原理，计算了不同相变压强的能带结构，态密度和光学性质并分析其变化规律。关键词：硫化汞；电子结构；能带结构；变化规律1引言半导体技术是近50多年发展最迅速的技术。元素和二元化合物半导体的基本性质一直是高压科学研究中

3、最活跃的领域之一。其中半导体HgS作为汞系硫化物半导体材料在激光器、发光二极管、光放大器、光纤通信等光电子学领域有着十分广泛的用途，是非常重要的半导体材料。由于其在太阳能电池和激光器等领域的重要用途，近年来，逐步引起了人们的极大兴趣。鉴于半导体HgS在光电技术方面的广泛应用，对半导体HgS电子结构和属性以及高压下半导体HgS电子能带结构特性的研究已引起广大科研工作者的极大兴趣。由于半导体HgS的一系列优越性质，国外许多发达国家很早就开始了对半导体HgS材料的研究，并取得了优异的成果。我国半导体材料的研究总体水平，相对于发达国家而言还比较落后，今年来我国加大了对半导体HgS材料研制

4、的投入，我国的半导体HgS材料的应用主要是在光电器件方面,随着我国的科学技术的迅猛发展,其它方面的半导体HgS材料的需求肯定会出现比国际发展速度还要高的阶段。我们利用平面波赝势密度泛函理论研究了半导体HgS的电子结构和能带结构，文中所述的计算工作采用MS软件中的Castep软件包完成的。Castep软件是一个基于密度泛函方法的从头算量子力学程序:利用总能量平面波赝势方法,将粒子势用赝势替代,电子波函数用平面波基组展开。电子一电子相互作用的交换和相关势由局域密度近似（LDA）或广义梯度近似（GGA）进行校正,是目前较准确的电子结构计算方法。2理论基础和计算方法2.1第一性原理计算方

5、法概述第一性原理计算方法（Firstprinciplesabinitiomethod）仅仅需要5个基本物理常数，即电子的静止质量、电子电量、普朗克常数、光速和波尔兹曼常数，而不需要其他任何或经验或拟合的可调参数，只需知道构成体系的各个元素与所需要模拟的环境（如几何结构），就可以应用量子力学原理计算出体系的总能、电子结构等，因此有着半经验方法不可比拟的优势[1,4]。。2.2密度泛函理论近代固体能带理论的基础是在密度泛函理论基础上发展起来的，是建立在Hohenberg-Kohn（HK）定理基础上的密度泛函理论，随后提出的Kohn-Sham（KS）方程将相互作用多体系统的基态问题严格

6、地转换为在有效势场中运动的独立电子基态问题，从而给出了单电子近似的严格理论依据[4,5]。2.3Hohenberg-Kohn定理密度泛函理论另辟蹊径，它的关键之处是将电子密度分布—而不再是电子波函数分布—作为试探函数，将总能E表示为电子密度的泛函。换句话说，密度泛函理论的基本想法是原子、分子和固体的基态物理性质可以用电子密度函数来描述，源于H.Thomas和E.Fermi1927年的工作泛函极小问题也是对电子密度分布函数求解。这样的处理当然首先要从理论上证明的确存在总能对于电子密度分布的这样一个泛函。因此Hohenberg和Kohn基于他们的非均匀电子气理论，提出了如下两个定理：

7、定理1不计自旋的全同费密子系统的基态能量是粒子数密度函数的唯一泛函。定理2能量泛函在粒子数不变的条件下，对正确的粒子数密度函数取极小值，并等于基态能量[2,3]。这里所处理的基态是非简并的，多电子体系Hamilton量分开写做动能部分、多电子系统相互作用部分和多电子系统之外的外场部分:(2.4)则Hohenberg-Kohn定理证明体系总能存在对基态电子密度分布函数的泛函形式:HgS光学性质研究理论及计算方法3.1研究半导体HgS光学性质的重要意义半导体的光学性质是半导体物理性质