#/251.4-10102030Energy/eV圖3-7(c＞HgS圖3-7(c＞HgS在60Gpa下P級(jí)態(tài)密度圖圖3-7(d＞HgS在90Gpa下P級(jí)態(tài)密度圖計(jì)算中，平面波截?cái)嗄苋?50eV。從圖3-5(a＞、圖3-5(b＞、圖3-5(c＞和圖3-5(d＞對(duì)比可看出，當(dāng)壓力從低到高時(shí)， HgS的態(tài)密度隨之減小。隨著壓強(qiáng)的不斷增加第一個(gè)峰傾向于低能方向，而第二個(gè)峰在壓強(qiáng)為 OGPa時(shí)還是單峰，壓強(qiáng)增加到30GPa時(shí)，變成了雙峰，而且隨壓強(qiáng)的不斷增大，兩峰越來(lái)越分開(kāi)，兩峰中間且越低，之后的峰都隨著壓強(qiáng)的增大而變成多峰。而我們從圖 3-6(a＞、3-6(b＞、3-6(c＞和3-6(d＞即四種壓強(qiáng)下S態(tài)密度圖，可以看出第一個(gè)峰向低能方向傾向的主要貢獻(xiàn)是由 S級(jí)做出的主要貢獻(xiàn)，從圖 3-7(a＞、3-7(b＞、3-7(c＞和3-7(d＞即四種壓強(qiáng)下P態(tài)密度圖，可以看出第二個(gè)峰由單峰變成雙峰，而且雙峰由壓強(qiáng)的增大而越來(lái)越分開(kāi)主要是有 P級(jí)做出了主要貢獻(xiàn)。4HgS光學(xué)性質(zhì)研究理論及計(jì)算方法4.1研究半導(dǎo)體HgS光學(xué)性質(zhì)的重要意義半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)是半導(dǎo)體物理性質(zhì)最重要的內(nèi)容之一，半導(dǎo)體的光學(xué)性質(zhì)及其基本的光學(xué)函數(shù)在半導(dǎo)體材料和器件的應(yīng)用中具有重要作用。 HgS是重要的IIB族化合物半導(dǎo)體材料之一，其在電儀器、半導(dǎo)體激光器、發(fā)光二極管、抗輻射太陽(yáng)能電池以及異質(zhì)結(jié)晶體管等許多高技術(shù)領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，所以各技術(shù)先進(jìn)國(guó)家都普遍加強(qiáng)了對(duì)半導(dǎo)體HgS材料的重視程度。4.2固體中的光吸收4.2.1半導(dǎo)體的帶隙光照可以激發(fā)價(jià)帶的電子到導(dǎo)帶，形成電子 -空穴對(duì)，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為本征光吸收，本征光吸收光子能量 應(yīng)滿(mǎn)足--(4.1>或者工(4.2>其中為光波的波長(zhǎng)，由此可以知道，存在一個(gè)長(zhǎng)波限FMI(4.3>此波長(zhǎng)叫做本征吸收邊。在本征吸收邊的光躍遷有兩種類(lèi)型。第一種類(lèi)型對(duì)應(yīng)于導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂在 空間相同點(diǎn)的情況，電子吸收光子自?xún)r(jià)帶 L狀態(tài)躍遷到導(dǎo)帶態(tài)時(shí)，除了必須滿(mǎn)足能量守恒外，還必須符合準(zhǔn)動(dòng)量守恒的選樣定則，即光子動(dòng)量(4.4>由于本征吸收光子的波矢為 ——，而在能帶中布里淵區(qū)的尺度為<2——1 )，數(shù)量級(jí)是 ——，所以，光吸收的躍遷選擇定則可以近似寫(xiě)為：=(4.5>也就是說(shuō)，在躍遷過(guò)程中，波矢可以看作是不變的，在能帶的 _1圖上，初態(tài)和末態(tài)幾乎在同一條豎直線(xiàn)上，這樣的躍遷稱(chēng)為豎直躍遷 [18]。第二種類(lèi)型對(duì)應(yīng)于導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂在f-空間不同點(diǎn)的情況，在這種情況下，單純吸收光子不能使電子由價(jià)帶頂躍遷到導(dǎo)帶底，還必須在吸收光子的同時(shí)伴隨有吸收或發(fā)射一個(gè)聲子，能量守恒關(guān)系為：電子能量差=光子能量耳聲子能量(4.6>但是聲子能量是較小的，數(shù)量級(jí)為百分之幾電子伏特以下，因此有：電子能量差=光子能量(4.7>而準(zhǔn)動(dòng)量守恒的躍遷選擇定則為：(4.8>其中 為聲子的準(zhǔn)動(dòng)量，它與能帶中電子的準(zhǔn)動(dòng)量相仿，略去光子動(dòng)量，有： I(4.9>也就是說(shuō)，在非豎直躍遷過(guò)程中，光子主要提供躍遷所需要的能量，而聲子則主要提供躍遷所需要的準(zhǔn)動(dòng)量。但是與豎直躍遷相比，非豎直躍遷是一個(gè)二級(jí)過(guò)程，發(fā)生的幾率要小得多［13］。我們把導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂處于 空間同一點(diǎn)的半導(dǎo)體，稱(chēng)為直接帶隙半導(dǎo)體，而把導(dǎo)帶底和夾帶頂處于 空間不同點(diǎn)的半導(dǎo)體，稱(chēng)為間接帶隙半導(dǎo)體。導(dǎo)帶中的電子躍遷到價(jià)帶空能級(jí)而發(fā)射光子，是上述光吸收的逆過(guò)程，稱(chēng)為電子-空穴對(duì)復(fù)合發(fā)光。一般情況下電子集中在導(dǎo)帶底，空穴集中在價(jià)帶頂，發(fā)射光子的能量基本上等于帶隙寬度 ［12］。422光學(xué)常數(shù)間的基本聯(lián)系當(dāng)光通過(guò)固體材料時(shí)，由于光與固體中電子、原子<離子)間的相互作用，可以發(fā)生光的吸收。當(dāng)光照射到固體的表面時(shí)，部分光被反射，若入射光強(qiáng)為、 ，反射光強(qiáng)為 時(shí)，則有：I“I.(4.10>R為反射系數(shù)。反射系數(shù)對(duì)頻率的依賴(lài)關(guān)系 -I稱(chēng)為反射譜［14］。我們計(jì)算得到的HgS的反射譜，當(dāng)光進(jìn)入固體以后，光強(qiáng)隨著進(jìn)入的深度 的增加而衰減： 1 (4.11>可為吸收系數(shù)，吸收系數(shù)隨可的依賴(lài)關(guān)系=1，稱(chēng)為吸收譜。4.2.3光吸收的描述一一復(fù)數(shù)介電常數(shù)電磁波在介質(zhì)中傳輸時(shí)，當(dāng)需要考慮吸收的影響時(shí)，介電常數(shù)要用復(fù)數(shù)來(lái)描述，即：一r(4.12>其中為實(shí)部［二I為虛部。此時(shí)的電場(chǎng)為—I (4.13>表示電磁波沿方向傳播， 與傳播方向垂直。在介質(zhì)中D=E+P，D為電位移矢量，P為極化強(qiáng)度，且有D=WE。所以： ' (4.14>而P隨時(shí)間的變化，反映電荷位移隨時(shí)間的變化，則有：—(4.15>j為電流密度。則有：j=(4.16>此式表明在吸收介質(zhì)中，電流j分為兩部分，一部分與E相位相差90度，稱(chēng)為極化電流，一部分與電場(chǎng)同相位，稱(chēng)為傳導(dǎo)電流。對(duì)于極化電流，由于電流與電場(chǎng)相位相差90度，在一個(gè)周期內(nèi)電場(chǎng)做的總功為0，因而不消耗電磁場(chǎng)的能量。

而傳導(dǎo)電流部分則不是如此，他具有歐姆定律的形式j(luò)= ,其中廠FI ，這個(gè)電流單位時(shí)間消耗的能量為 」。而電磁場(chǎng)消耗的能量正是介質(zhì)吸收的能量。即：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)吸收的能量=一一」(4.17>這就是亠I與吸收功率之間的存在的關(guān)系［15］。4.2.4吸收常數(shù)和反射系數(shù)電磁波在折射率為的介質(zhì)中傳播，速度為E，其中W，即，則:(4.18>(4.18>在吸收介質(zhì)中，折射率應(yīng)寫(xiě)為復(fù)數(shù)形式：亠，所以上式改寫(xiě)為:(4.19>在吸收介質(zhì)中，折射率應(yīng)寫(xiě)為復(fù)數(shù)形式：亠，所以上式改寫(xiě)為:(4.19>由此可知光強(qiáng)以的關(guān)系：丄衰減<光強(qiáng)正比于 )。利用復(fù)折射率與復(fù)介電常數(shù)之間(4.20>(4.20>可以得到:(4.21>(4.22>(4.21>(4.22>用 描述固體的光學(xué)性質(zhì)與用 .描述固體的光學(xué)性質(zhì)是等價(jià)的［17］。由(4.23>(4.23>在電磁波垂直入射時(shí)，反射波與入射波的振幅比為：a(4.24>其中——I分別為入射和反射電磁波的電場(chǎng)分量的振幅， 為反射過(guò)程中的相位變化。由電磁學(xué)理論可知：(4.25>(4.26>| (4.27>由（4.26>式可以看出：當(dāng)0>>1時(shí)習(xí)習(xí)，即入射光幾乎完全被反射，也就是說(shuō)，折射率越大反射就越強(qiáng)烈；當(dāng)|時(shí)，這時(shí)勺依然成立，也就是說(shuō)如果一種材料強(qiáng)烈地吸收某一光譜范圍內(nèi)的光，那么它同時(shí)也能有效地反射同一光譜范圍內(nèi)的光［16］。4.3結(jié)果及討論.dda131211109876543210-1-2-3-4-5-6LXR圖5.1HgS的能帶結(jié)構(gòu)dda5.04.54.03.53.02.52.01.51.00.50.0LXR圖5.2半導(dǎo)體HgS在0GPa、30GPa、60GPa、90GPa下能帶對(duì)比25000020000015000010000050000圖5.3HgS光學(xué)吸收的光學(xué)性質(zhì)yveK.0.0510152025303540Frequency/eVyveK.0.0510152025303540Frequency/eV圖5.4HgS光學(xué)反射的光學(xué)特性Frequency/eVFrequency/eV圖5.5HgS折射率的實(shí)部和虛部與光子能量之間的關(guān)系通過(guò)計(jì)算，我們得到了HgS的能帶結(jié)構(gòu)如圖5.1，HgS在0GPa30GPa60GPa90GPa下能帶對(duì)比如圖5.2,吸收系數(shù)與能量的關(guān)系如圖 5.3,反射系數(shù)與能量的關(guān)系如圖5.4,折射系數(shù)與能量之間的關(guān)系如圖 5.5。從圖5.1可以看出HgS具有間接帶隙結(jié)構(gòu)，而第一導(dǎo)帶最低點(diǎn)值為 3.652eV。我們僅僅考慮了晶體的本征吸收，而忽略了影響較小的激子吸收，可見(jiàn)吸收系數(shù)數(shù)量級(jí)達(dá)到了105cm-1，且在低能部分吸收系數(shù)快速下降，幾乎成線(xiàn)性關(guān)系。觀察圖5.2,在L一線(xiàn)均為0GPa30GPa60GPa和90GPa的帶隙最低點(diǎn)，0GPa的值為0.149eV，30GPa的值為0.283eV，60GPa的值為0.400eV，90GPa的值為0.484eV。我們可以發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體HgS的帶隙最低點(diǎn)是隨著壓強(qiáng)的增大而增高。而在圖5.4中，觀察可發(fā)現(xiàn)，在介點(diǎn)函數(shù)的虛部 上有個(gè)比較明顯的特征峰，值為1.867eV?？偨Y(jié)我們利用第一性原理平面波贋勢(shì)密度泛函理論研究了 HgS的能帶結(jié)構(gòu)以及態(tài)密度。在計(jì)算中得到了HgS的間接帶隙為Eg=3.652eV。這個(gè)結(jié)果與其他的理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致。通過(guò)對(duì)比HgS在0GPa30GPa60GPa90GPa下能帶圖，我們可以發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體HgS的帶隙最低點(diǎn)是隨著壓強(qiáng)的增大而增高。研究電學(xué)性質(zhì)時(shí)，我們計(jì)算了HgS的能帶結(jié)構(gòu)、總體態(tài)密度以及S、P級(jí)態(tài)密度。最后，我們研究了HgS的光學(xué)性質(zhì)。當(dāng)光通過(guò)晶體材料時(shí)會(huì)發(fā)生各種現(xiàn)象：反射、吸收、能量損失等。這和光與晶體中的電子、雜質(zhì)等的相互作用密切相關(guān)。通過(guò)研究固體中的光吸收光發(fā)射，可以直接得到晶體中電子的狀態(tài)一—能帶結(jié)構(gòu)和其他的激發(fā)態(tài)信息。我們計(jì)算了 HgS的吸收系數(shù)、介電函數(shù)<包含實(shí)部和虛部)、反射系數(shù)以及折射率。我們發(fā)現(xiàn) HgS介電函數(shù)的虛部g和實(shí)部g與光子能量之間的關(guān)系?？梢?jiàn)，在介點(diǎn)函數(shù)的虛部 g上有個(gè)比較明顯的特征峰1.867eV。參考文獻(xiàn)周世勛著，量子力學(xué)教程，北京：高等教育出版社， 1992.P21P.HohenbergandW.Kohn,Phys.Rev.B136,864(1964>D.Vanderbilt,Phys.Rev.B41,7892(1990>李震宇,賀偉，楊金龍。密度泛函理論及其數(shù)值方法新進(jìn)展 [J]?；瘜W(xué)進(jìn)展。2005年02期。14-24熊志華，孫振輝，雷敏生.基于密度泛函理論的第一性原理贋勢(shì)法 .江西科學(xué)報(bào)，第23卷第1期2005年2月.2005.P125⑹胡安，章維益著，固體物理學(xué)，北京，高等教育出版社：2005.P125李正中著，固體理論，北京，高等教育出版社：2002.P287楊兵初，鐘心剛主編，固體物理學(xué)，湖南長(zhǎng)沙，中南大學(xué)出版社：2002.P116廖沐真，吳國(guó)是，劉洪霖著，量子化學(xué)從頭計(jì)算方法，北京：清華大學(xué)出版社，1984.plE.Francisco,J.M.Recio,M.A.BianeoandA.MartnPend田J.Phys.Chem.102,1595(1998>.[11]趙宇軍,姜明,曹培林.從頭計(jì)算分子動(dòng)力學(xué)[J].物理學(xué)進(jìn)展,1998,18(1>:47-75[12]馮文修著，半導(dǎo)體物理學(xué)基礎(chǔ)教程，北京，國(guó)防工業(yè)出版社：2006.P173D.R.Hamann,M.SchiuterandC.Chiang,Phys.Rev.Lett.3,1494(1977>A.D.Becke,Phys.Rev.A38,3098(1988>J.C.Siater,Phys.Rev.81,385(1951>V.Miiman,B.Winkier,J.A.White,C.J.Packard,M.C.Payne,E.V.Akhmatskaya,R.H.Nobes,Int.J.QuantumChem.77(2000>895.E.Francisco,M.A.BiancoandG.Sanjurjo,Phys.Rev.B63,094107(2001>致謝本人在完成論文的過(guò)程中得到了周紹元老師和楊維清老師的大力幫助，在兩位老師的悉心指導(dǎo)下，我才能完成此次論文。兩位老師對(duì)學(xué)術(shù)的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度，對(duì)學(xué)生的耐心細(xì)致還有對(duì)問(wèn)題的敏銳洞察，都讓我感動(dòng)，讓我受益匪淺。兩位老師不僅教會(huì)了我論文方面的許多知識(shí)，還讓我學(xué)會(huì)了許多做人做學(xué)問(wèn)的道理，這將是我一生的財(cái)富。在此再次由衷的感謝兩位老師無(wú)私的幫助，祝兩位老師身體健康，萬(wàn)事如意，在未來(lái)的工作中取得更多的成果。作者簡(jiǎn)介姓名：王鑫出生年月：1987-8E-mail:249316134@性別：男民族：蒙古族聲明本論文的工作是2009年3月至2009年5月在成都信息工程學(xué)院光電技術(shù)系完成的。文中除了特別加以標(biāo)注地方外，不包含他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也不包含為獲得成都信息工程學(xué)院或其他教案機(jī)構(gòu)的學(xué)