本文關(guān)鍵詞：閃鋅礦（GaSb）_m（ZnTe）_n超晶格光學(xué)性質(zhì)的研究

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【摘要】：本文通過第一性原理基本方法,研究計算GaSb/ZnTe超晶格材料的基本電子和光學(xué)性質(zhì)�；诿芏确汉纠碚�,采用HSE06函數(shù),運用Hartree-Fock基本方法。通過對閃鋅礦材料晶體結(jié)構(gòu)的研究,以及對超晶格材料基本理論方法的應(yīng)用,尋找性質(zhì)優(yōu)異的超晶格材料。在計算過程中我們統(tǒng)一采用PBE贗勢。對新建的所有結(jié)構(gòu)都進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,讓這些結(jié)構(gòu)收斂到穩(wěn)定的位置,以減小晶格形變帶來的計算誤差。同時嚴(yán)格的控制了計算精度,實現(xiàn)更準(zhǔn)確的理論預(yù)測。然后,通過對這一類超晶格的性質(zhì)計算和數(shù)據(jù)研究分析,尋找性質(zhì)優(yōu)異的材料運用于太陽能電池和LED發(fā)光。首先,研究閃鋅礦材料的基本性質(zhì)。我們發(fā)現(xiàn)閃鋅礦材料GaSb和ZnTe,它們在光學(xué)方面具有一定的優(yōu)勢,同時也受到一定的限制。我們希望運用超晶格的基本方式,來實現(xiàn)對這兩種材料光學(xué)性質(zhì)的改進(jìn)。閃鋅礦GaSb和ZnTe的晶格系數(shù)比較接近,晶格匹配性很好。所以,用來構(gòu)建超晶格是相對可行的。重構(gòu)的GaSb/ZnTe超晶格結(jié)構(gòu),由于計算資源的限制。我們嚴(yán)格的控制了晶體結(jié)構(gòu)的原子數(shù)目,并且只選取了[001]、[110]和[111]三個特殊的晶格生長方向。當(dāng)原子數(shù)目和生長方向確定后,采用排列組合的基本方法構(gòu)建超晶格結(jié)構(gòu),利用晶體對稱性消去重復(fù)的晶體結(jié)構(gòu)。然后,對這類材料進(jìn)行基本的理論計算。計算發(fā)現(xiàn),對于ZnTe和GaSb的躍遷矩陣元,它們的躍遷矩陣元主要集中在Γ點附近,遠(yuǎn)離Γ點的數(shù)值較小。由于躍遷矩陣元正比于躍遷概率,所以遠(yuǎn)離Γ的躍遷的概率也就相對較小。對GaSb/ZnTe超晶格的躍遷矩陣元的分析發(fā)現(xiàn)。在不同的晶格生長方向上,這類晶格的躍遷矩陣元存在很大的差異,在[110]和[111]晶格生長方向上較為優(yōu)異。對GaSb/ZnTe超晶格的帶隙分析發(fā)現(xiàn)。在[001]、[110]和[111]三個晶格生長方向,這些超晶格的帶隙較好的覆蓋了一定區(qū)域類的可能帶隙數(shù)值。通過重復(fù)Shocldey-Queisser的基本理論。分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)材料的帶隙間于1.0-1.5ev時,對光吸收的效率才能達(dá)到較高的位置。對于[110]和[111]晶格生長方向的晶體材料,它們的帶隙大多數(shù)處于這個范圍內(nèi),所以對光吸收轉(zhuǎn)換效率具有一定的優(yōu)勢。考慮上述基本性質(zhì)之后,對于材料的應(yīng)用還得考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。在本文,我們還計算這類材料的合成能。相對而言,越穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)合成能也就越低。計算發(fā)現(xiàn),合成能較低的結(jié)構(gòu)主要存在于[110]晶格生長方向,也就是說這個方向的晶體結(jié)構(gòu)比其它方向要穩(wěn)定。再則,通過上述條件篩選出了一些性質(zhì)優(yōu)異的超晶格結(jié)構(gòu)。為了驗證方法的可行性和計算的科學(xué)性,同時更好的分析了解超晶格在光吸收系數(shù)方面的基本性質(zhì)。我們計算了GaSb/ZnTe超晶格和常見太陽能電池材料的吸收系數(shù)。通過參照AM1.5標(biāo)準(zhǔn)譜線,對比分析超晶格與常見太陽能電池的吸收特性。驗證了我們篩選新結(jié)構(gòu)的方法,是科學(xué)可行的。分析發(fā)現(xiàn)GaSb/Zn Te超晶格的吸收系數(shù),主要集中在1.0-1.5ev之間,在這個范圍內(nèi)能夠獲得相對較多的太陽能。對于太陽能電池轉(zhuǎn)換效率來講,這些超晶格可以獲得更理想的截斷電源和開路電流,達(dá)到對太陽能轉(zhuǎn)換效率的提升。最后,為了獲得更確切的理論支撐。我們計算了一部分超晶格結(jié)構(gòu)對可見光吸收的極限效率(Spectroscopic Limited Maximum Efficiency)。通過對計算結(jié)果的分析,我們現(xiàn)這類材料的吸收效率很理想。最大吸收效率可以達(dá)到31.38737%。充分說明了這類材料在太陽能電池的應(yīng)用方面具有較大的發(fā)展?jié)摿�。由于這類材料的巨大發(fā)展?jié)撡|(zhì),以及理想的光學(xué)帶隙。我們還發(fā)現(xiàn)這類材料在LED發(fā)光方面具有一定的發(fā)展?jié)摿?尤其是在LED發(fā)光的空白區(qū)域。通過超晶格基本理論,控制晶體的電子性質(zhì),獲得特殊需求的發(fā)光材料。所以我們預(yù)測,這類材料在LED發(fā)光領(lǐng)域具有較大的發(fā)展?jié)撃堋?br/> 【關(guān)鍵詞】：光學(xué)性質(zhì) 躍遷矩陣元 合成能 光吸收 發(fā)光 超晶格
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O734
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-9
• 1 緒論9-13
• 1.1 問題的提出及現(xiàn)狀9-11
• 1.1.1 能源問題9-10
• 1.1.2 研究的意義10-11
• 1.2 本文的目的和基本內(nèi)容11-13
• 2 理論方法13-25
• 2.1 構(gòu)造超晶格材料晶體結(jié)構(gòu)的基本方法13-19
• 2.1.1 閃鋅礦材料的晶體結(jié)構(gòu)13-15
• 2.1.2 超晶格材料簡介15-17
• 2.1.3 利用數(shù)組產(chǎn)生超晶格機構(gòu)17-19
• 2.2 第一性原理計算超晶格19-24
• 2.2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化20-21
• 2.2.2 PBE和LDA贗勢21-22
• 2.2.3 Hartree-Fock理論和混合交換相互作用函數(shù)22-24
• 2.3 小結(jié)24-25
• 3 閃鋅礦GaSb，ZnTe和GaSb/ZnTe超晶格的帶隙25-30
• 3.1 閃鋅礦材料GaSb和ZnTe帶隙計算分析25-26
• 3.2 GaSb/ZnTe超晶格的帶隙計算分析26-29
• 3.3 小結(jié)29-30
• 4 GaSb/ZnTe超晶格的基本光學(xué)性質(zhì)研究30-43
• 4.1 GaSb/ZnTe超晶格的躍遷矩陣元30-33
• 4.2 介電函數(shù)33-35
• 4.3 光吸收和光反射系數(shù)35-37
• 4.4 可見光吸收效率37-41
• 4.4.1 太陽能電池光能轉(zhuǎn)換的極限效率曲線（Shocldey-Queisser）38-39
• 4.4.2 可見光吸收的極限效率（SLME）39-41
• 4.5 小結(jié)41-43
• 5 GaSb/ZnTe超晶格結(jié)構(gòu)篩選43-48
• 5.1 合成能43
• 5.2 結(jié)構(gòu)篩選的基本標(biāo)準(zhǔn)43-45
• 5.3 小結(jié)45-48
• 6 GaSb/ZnTe超晶格材料的基本應(yīng)用48-52
• 6.1 太陽能電池48-50
• 6.2 LED發(fā)光50-51
• 6.3 小結(jié)51-52
• 7 結(jié)論與展望52-54
• 7.1 主要結(jié)論52-53
• 7.2 后續(xù)研究及展望53-54
• 致謝54-55
• 參考文獻(xiàn)55-61
• 附錄61
• A 作者在攻讀碩士期間論文目錄61

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本文編號：1048590