利用CASTEP模擬計(jì)算實(shí)例1

1、 利用CASTEP模擬計(jì)算實(shí)例一，計(jì)算本征半導(dǎo)體硅的能帶結(jié)構(gòu)和狀態(tài)密度等性質(zhì)計(jì)算過(guò)程分為三個(gè)步驟：首先是建立硅的晶體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，這個(gè)可以在物質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用即可。在計(jì)算時(shí)為了節(jié)省時(shí)間，減少計(jì)算量將硅的普通的晶體轉(zhuǎn)化為原胞結(jié)構(gòu)，一個(gè)原胞中包含9個(gè)原子。節(jié)下來(lái)是對(duì)晶體原胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化，當(dāng)然其中也含蓋了對(duì)體系總能量的最小化。結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中的兩個(gè)圖表文檔分別表示了優(yōu)化步驟中體系能量的變化和收斂精度，判斷收斂是否成功就要查看最終完成計(jì)算后，能量的收斂精度是否達(dá)到了事前的設(shè)定值。最后是計(jì)算性質(zhì)，在計(jì)算狀態(tài)密度時(shí)可以計(jì)算不同原子各個(gè)軌道按照角動(dòng)量分布的偏態(tài)密度（），當(dāng)體系是自旋極化時(shí)，偏態(tài)密度（

2、）中包含了體系多數(shù)自旋和少數(shù)自旋的偏態(tài)密度（）。光學(xué)性質(zhì)的計(jì)算是模擬中的一個(gè)難點(diǎn)，從目前發(fā)表的文獻(xiàn)來(lái)看，影響光學(xué)性質(zhì)計(jì)算的因素很多（見(jiàn)光學(xué)計(jì)算原理部分，對(duì)此有詳細(xì)描述），在研究體系有充足實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的條件下，可以對(duì)能帶采用“剪刀”的工具對(duì)能帶帶隙進(jìn)行剛性的調(diào)整，獲得與實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好的結(jié)論。但對(duì)于初學(xué)者而言，這個(gè)工具一般是不推薦使用的。作者對(duì)于硅的計(jì)算完全按照上述方案完成。詳細(xì)的計(jì)算結(jié)果和計(jì)算方法見(jiàn)本文所附帶的專門文章。二,攙雜半導(dǎo)體性質(zhì)計(jì)算第三主族和第五主族元素之間形成的半導(dǎo)體，目前越來(lái)越受到的重視，在納米材料中，各種納米電子器件如場(chǎng)效應(yīng)晶體管，半導(dǎo)體納米量子阱，納米量子點(diǎn)激光器等均廣泛采用了諸

3、如等材料，本文對(duì)能帶結(jié)構(gòu)、狀態(tài)密度以及光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了計(jì)算。計(jì)算步驟與前文描述相同。詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)文章二。三，性質(zhì)計(jì)算二硫化亞鐵是一種受到廣泛研究的窄帶隙的半導(dǎo)體，其能帶帶隙為。肖奇等人也采用對(duì)二硫化亞鐵整體狀態(tài)密度和（10）0晶面雙層超結(jié)構(gòu)狀態(tài)密度的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)了表面態(tài)對(duì)狀態(tài)密度峰的分裂。作者也首先建立了二硫化亞鐵的晶體結(jié)構(gòu)，對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了計(jì)算，得到能帶帶隙的較準(zhǔn)確結(jié)果，但在能帶的頂層出現(xiàn)了文獻(xiàn)中未出現(xiàn)的新結(jié)構(gòu)，因此還需要其他文獻(xiàn)進(jìn)行證實(shí)。作者也建立了雙層的二硫化亞鐵（10）0晶面的超晶胞結(jié)構(gòu)，但限于計(jì)算能力，只對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分子力場(chǎng)的初步結(jié)構(gòu)優(yōu)化。詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)文章三。四，三氧化二

4、鋁性質(zhì)計(jì)算三氧化二鋁是廣泛用于復(fù)合材料中的一種附加材料，在電子工業(yè)中用于襯底材料。作為陶瓷原料更是普遍。三氧化二鋁有多種晶體類型，目前廣泛得到研究的是a三氧化二鋁，作者計(jì)算了它的能帶結(jié)構(gòu)和狀態(tài)密度分布以及電子密度分布情況，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比較是可靠的，電子密度分布揭示了化學(xué)鍵的性質(zhì)。詳細(xì)結(jié)果見(jiàn)文章四。五，其他幾種半導(dǎo)體材料能帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算作者也計(jì)算了幾種目前普遍使用的半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)，晶體結(jié)構(gòu)在計(jì)算前是經(jīng)過(guò)了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的，某些計(jì)算的能帶帶隙并不理想，與實(shí)驗(yàn)數(shù)值相比較，差距較大。但發(fā)現(xiàn)了能帶結(jié)構(gòu)和計(jì)算晶體結(jié)構(gòu)特別是化學(xué)鍵類型間的關(guān)系是密切的。通過(guò)對(duì)于幾種類型的半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)和狀態(tài)密度的計(jì)算表

5、明他們與原子軌道雜化類型，原子間成鍵類型等均有關(guān)系，計(jì)算幾種半導(dǎo)體分別是：本征半導(dǎo)體Si,離子型窄帶隙半導(dǎo)體ZnOandCu2O,攙雜n型半導(dǎo)體BN。從雜化軌道類型來(lái)看，硅為sp3雜化，BN為sp2雜化。其余兩種BandstructureindDOSd5umP六，MnN和MnAs自旋狀態(tài)密度分布與晶體結(jié)構(gòu)常數(shù)間的關(guān)系R.dePaival,J.L.A.Alves等人文獻(xiàn)中，研究了閃鋅礦結(jié)構(gòu)的MnN和MnAs自旋密度分布隨晶體結(jié)構(gòu)常數(shù)變化的關(guān)系，上述兩種物質(zhì)的閃鋅礦結(jié)構(gòu)并不是它們的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，但在這種結(jié)構(gòu)中Mn以四面體配位性質(zhì)在許多二元磁性材料均有體現(xiàn)，人們相信，正是錳元素這種配位環(huán)境形成了獨(dú)特的磁

6、性質(zhì)。文獻(xiàn)作者采用第一性原理的DFT理論分別用GGA和LDA分別計(jì)算了隨著晶體尺寸變化，自旋密度分布的變化情況，他們發(fā)現(xiàn)上面兩種物質(zhì)自旋密度狀態(tài)分布結(jié)構(gòu)與晶體尺寸密切相關(guān)，當(dāng)MnN尺寸大于0.490nm,MnAs大于0.571nm延伸閃鋅礦結(jié)構(gòu)是半金屬型的，即多數(shù)自旋(majorityspin)密度分布在費(fèi)米面處是連續(xù)的，少數(shù)自旋(minorityspin)密度則在費(fèi)米面處是絕緣體型的。他們計(jì)算中晶體平衡尺寸分別是：MnN：ao=4.19A(LDA),and4.30A(GGA);MnAs：themagneticmomentsare2:5】Band4:07Brespectivelyattheeq

7、uilibriumlatticeparametersao=5:32A(LDA)and5.71A(GGA).作者計(jì)算均采用GGA，MnN：0.425nm；MnAs：0.5977nm。自旋密度分布和能帶結(jié)構(gòu)基本與文獻(xiàn)結(jié)果一致，在MnN中，自旋密度在費(fèi)米能級(jí)附近隨著尺寸變化是很明顯的，但MnAs中則與文獻(xiàn)結(jié)果不一致?，F(xiàn)將文獻(xiàn)結(jié)果與作者結(jié)果列圖如下：從多數(shù)自旋(majorityspin)密度和少數(shù)自旋(minorityspin)密度圖中可以明顯的得到體系電子電導(dǎo)的單自旋極化現(xiàn)象，半金屬特性是IFxgiircE1ectrotixcBlructiire%fo-jr-lb1endeK-iiiKzandZvI

8、tlAsHUtliuGCrAtotalHiiiiiiixiLWLLi30A-=5.71-A.TlefisriqhiilieleftstndondiexiLglatuorrumpQudtotlieetmxzmjfusfo-rtlielxixnonty-stndixiajo-ri5r-spin_TJaefi.gruiresnutliei-iiicLdlecoareipolidqttieofstates.HUiuliorizoi11Iliii?tofhuizre-sitionotlieFeaiiii-exel. #明顯的。但計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)差別較大，特別是自旋密度與晶體隨尺寸變化的關(guān)系不明顯，作者計(jì)算了在1nh已明顯的變化。特別是文獻(xiàn)中提到的少處產(chǎn)生能隙。nm青況下的狀態(tài)密度情況1仍然沒(méi)有發(fā)現(xiàn)自旋密度分布在費(fèi)米面處7時(shí)會(huì)在費(fèi)米面Energy(eV)斗i” #Energy(eV)MnAsBand:structureandPDOSEnergy(eV)2020DensityofStates(electrons/eV)Spuideilsltjr8i.i7-:jiMajorityspindensitjr10tiThTTu：10-2indensity #Energy(已”)-10Energy(eV)Bindstructur