本文選題：第一性原理計算 + 半導(dǎo)體��； 參考：《武漢理工大學(xué)》2015年碩士論文

【摘要】：鍺折射率在壓力下的變化是其他常見的半導(dǎo)體的4~6倍,作為良好的壓敏材料,可以將其應(yīng)用在光纖傳感中。但是在入射光波長小于1850nm的吸收區(qū)內(nèi)鍺折射率的實驗數(shù)據(jù)及折射率隨壓力的變化情況未知。論文使用第一性原理計算軟件的CASTEP模塊,建立了鍺晶體的3D模型并進(jìn)行幾何優(yōu)化;計算了鍺的能帶結(jié)構(gòu),并以此為基礎(chǔ)推導(dǎo)出介電函數(shù)、吸收系數(shù)和折射率等光學(xué)常數(shù),對計算的結(jié)果進(jìn)行了誤差分析。接著運用軟件設(shè)置環(huán)境壓力,理論研究了當(dāng)外界壓力變化時,鍺折射率的相應(yīng)變化,得出了鍺折射率隨壓力變化的定量關(guān)系。在理論計算過程中,詳細(xì)分析并給出了相關(guān)參數(shù)的設(shè)置,討論了Properties處K點數(shù)對最終計算結(jié)果準(zhǔn)確性的影響,最終確定此處K點數(shù)設(shè)置為11*11*11。為了獲得鍺折射率-壓力關(guān)系的實驗數(shù)據(jù),論文設(shè)計并定制了可用于光纖探針的特種液壓機(jī)。該液壓機(jī)以液壓油為介質(zhì),能夠?qū)崿F(xiàn)在0~25MPa區(qū)間內(nèi)連續(xù)施加或卸載壓力。用于測試的壓力傳感器,在光纖端面上蒸鍍一層納米量級的半導(dǎo)體鍺作為敏感探頭,構(gòu)成一種新型的光纖半導(dǎo)體壓力傳感器。當(dāng)液壓機(jī)壓力發(fā)生變化時,光纖端面處鍺的折射率也會發(fā)生相應(yīng)的變化。通過檢測端面的反射率便可建立反射率與外界壓力的對應(yīng)關(guān)系,進(jìn)而推導(dǎo)得到折射率-壓力的傳感模型。實驗結(jié)果表明,光纖端面所鍍鍺薄膜的厚度會對最終檢測結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。論文通過第一性原理計算得到了鍺的光學(xué)常數(shù)及其隨外界壓力變化的定量關(guān)系;并通過實驗獲得了鍺折射率-壓力關(guān)系的實驗數(shù)據(jù)。通過對理論計算和實驗測量結(jié)果的分析得出鍺折射率隨著外界壓力的增加而線性減小的結(jié)論,論文工作首次為壓力場中半導(dǎo)體光學(xué)參數(shù)的研究提供了實驗數(shù)據(jù)參考。
[Abstract]:The change of GE refractive index at pressure is 4 ~ 6 times of that of other common semiconductors. As a good varistor, germanium can be used in optical fiber sensing.However, the experimental data of germanium refractive index and the change of refractive index with pressure in the absorption region with incident wavelength less than 1850nm are unknown.In this paper, the 3D model of germanium crystal is established and optimized by using the CASTEP module of first-principle calculation software, the energy band structure of germanium is calculated, and the optical constants such as dielectric function, absorption coefficient and refractive index are derived.The error analysis of the calculated results is carried out.Then the corresponding change of germanium refractive index when the external pressure changes is studied theoretically by using the software to set the environmental pressure. The quantitative relationship between the germanium refractive index and the pressure change is obtained.In the course of theoretical calculation, the setting of relevant parameters is analyzed and given in detail, and the influence of K points at Properties on the accuracy of final calculation results is discussed.In order to obtain the experimental data of the relationship between refractive index and pressure of germanium, a special hydraulic press which can be used in optical fiber probe is designed and customized in this paper.With hydraulic oil as the medium, the hydraulic press can continuously apply or unload pressure in the 0~25MPa region.A new type of optical fiber semiconductor pressure sensor is formed by vaporizing a layer of nanocrystalline germanium on the optical fiber end surface as a sensitive probe.When the pressure of hydraulic press changes, the refractive index of germanium at the end of the fiber will also change.The relationship between reflectivity and external pressure can be established by measuring the reflectivity of the end face, and the sensing model of refractive index and pressure can be derived.The experimental results show that the thickness of GE film on the end surface of the fiber has a great influence on the final measurement results.In this paper, the optical constants of germanium and its quantitative relationship with external pressure are calculated by first principles, and the experimental data of the refractive index pressure relationship of germanium are obtained.The conclusion that the refractive index of germanium decreases linearly with the increase of external pressure is obtained by analyzing the theoretical calculation and experimental measurement results. The work of this paper provides the experimental data for the study of semiconductor optical parameters in the pressure field for the first time.
【學(xué)位授予單位】：武漢理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN304.11

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本文編號：1732034