分类号：O471.5 U D C：D10621-407-(2009)2670-0 密 级：公 开 编 号：2005032017
成 都 信 息 工 程 学 院
学 位 论 文
半导体HgS在高压下的电子结构和能带结构的研究
论文作者姓名： 申请学位专业： 申请学位类别：
王鑫
光信息科学与技术
理学学士
指导教师姓名（职称）： 周绍元（高级实验师） 论文提交日期：
2009年06月01日
半导体HgS在高压下的电子结构和能带结构的研究
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
The Study of the Electronic Structure and Energy Band Structure for Semiconductor HgS Under High Pressure
Abstract
As semiconductors, HgS is the most suitable candidates for semiconductor lasers，light emitting diodes，optical amplifier and optical fiber communication. Firstly, the band structure properties and Density of states (DOS) of HgS is also investigated by ab initio plane-wave pseudopotential density functional theory. The energy band gap which has been also deduced from the band structure plots is 3.652eV, which is well consistent with the experimental data and other theoretical results. Finally, the optical properties of HgS under various pressures have been investigated by using the same method. The measurement of optical absorption spectra yields information about the difference between energy levels and about the intensity of the transition between energy levels, which is related to the strength of the coupling with the external electric field inducing the transition. The real part of the dielectric function was derived from the imaginary part by Kramers-Kronig dispersion relationship.
An?-HgS is a semiconductor with the energy gap of 2.1eV, and its structure consists of atom in parallel helical chains. Above 8GPa, the conductivity increases rapidly with pressure, and the conductivity also increases with temperature, indicating a transport characteric of a semiconductor. Above 29GPa, the conductivity dose almost not increase with pressure, and the conductivity decreases with temperature, indicating a transport characteric of a metal. It is confirmed that the metallization pressure is about 29GPa. In addition, the energy band structures, the density of states and optical properties of HgS at various phase transitions pressures are calculated from the first principle.
Key words: HgS; Electronic Structure; Band structure.
目 录
论文总页数：21页
1 引言............................................................................................................................................. 1 2 理论基础和计算方法 ................................................................................................................. 1 2.1 第一性原理计算方法概述 .................................................................................................. 1 2.2 CASTEP计算方法 .............................................................................................................. 1 2.3 多粒子体系的Schr?dinger方程 ........................................................................................ 2 2.4 密度泛函理论 ...................................................................................................................... 2 2.5 Hohenberg-Kohn定理 ......................................................................................................... 2 2.6 Kohn-Sham方程 ................................................................................................................. 3 2.7 局域密度近似和广义梯度近似 .......................................................................................... 4 2.8 赝势平面波方法 .................................................................................................................. 5 2.9 模守恒赝势 .......................................................................................................................... 6 3 HgS能带数值分析..................................................................................................................... 6 3.1 HgS的晶体结构.................................................................................................................. 6 3.2 HgS的能带结构.................................................................................................................. 7 3.2.1 HgS高压电子结构和光学性质计算参量 ................................................................... 7 3.2.2 计算方法 ....................................................................................................................... 7 3.2.3 计算结果及分析 ........................................................................................................... 8 4 HgS光学性质研究理论及计算方法 ....................................................................................... 12 4.1 研究半导体HgS光学性质的重要意义 ........................................................................... 12 4.2 固体中的光吸收 ................................................................................................................ 13 4.2.1 半导体的带隙 ............................................................................................................. 13 4.2.2 光学常数间的基本联系 ............................................................................................. 14 4.2.3 光吸收的描述——复数介电常数 ............................................................................. 14 4.2.4 吸收常数和反射系数 ................................................................................................. 15 4.3 结果及讨论 ........................................................................................................................ 16 总 结......................................................................................................................................... 18 参考文献......................................................................................................................................... 18 致 谢......................................................................................................................................... 20 声 明......................................................................................................................................... 21
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 第一性原理计算方法概述
第一性原理计算方法（First principles ab initio method）仅仅需要5个基本物理常数，即电子的静止质量m0、电子电量e、普朗克常数h、光速c和波尔兹曼常数kB，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 CASTEP计算方法
CASTEP特点是适合于计算周期性结构，对于非周期性结构一般要将特定的部分作为周期性结构，建立单位晶胞后方可进行计算。CASTEP计算步骤可以概括为三步：首先建立周期性的目标无知的晶体：其次对建立的结构进行优化，这包括体系电子能量的最小化和几何结构稳定化；最后是计算要求的性质，如电子密度分布、能带结构、状态密度分布以及光学性质等等。
CASTEP中周期性结构计算的优点：与MS中其它计算包不同，非周期性结
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